CN116317345A - 一种可穿戴人体上肢运动俘能器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种可穿戴人体上肢运动俘能器,包括底座、盖板、带传动机构、齿轮传动机构、螺旋单向激励机构、固定梁和转子发电模块；底座顶壁固定盖板，二者空腔内从左至右依次沿竖直方向间隔设置有高速轴、低速轴以及固定齿轮的齿轮轴，在高速轴上同轴线上下间隔连接有螺旋单向激励机构、转子发电模块，低速轴的齿轮轴上下两端均分别与安装在盖板以及底座内的轴承内圈固定相连。在低速轴上套装固定有主动轮和从动齿轮，主动轮和从动齿轮上下固定相连。高速轴上下两端均分别与安装在盖板以及底座固定连接，齿轮轴下端与底座固定连接。通过本发明可以提高能量采集效率。
Description
技术领域
本发明涉及人体能量俘获器机械结构，尤其涉及一种可穿戴人体上肢运动俘能器。
背景技术
各类可穿戴电子器件在环境检测、人机交互界面、人体健康监测领域具有广泛的应用前景。然而，应用传统电池供电面临需要定期更换、电池体积大、污染环境等实际问题，导致这些电子设备的供电问题成为了制约其发展的重要因素。因此迫切需要开展自供能技术的研究，其本质是人体能量俘获。人体运动能量具有低频、周期性非谐波等特点，而传统的能量俘获器的振源具有高频、谐振等特点。这导致传统的能量俘获器在人体运动能量俘获中难以达到理想的效果。综上所述，在现有能量俘获器在人体运动能量采集领域存在无法有效采集人体低频运动能量和能量俘获效率较低的问题。
发明内容
本发明的目的在于克服已有技术的缺点，提供一种可以提高能量采集效率的可穿戴人体上肢运动俘能器。
本发明解决上述技术问题采用的技术方案为：
本发明一种可穿戴人体上肢运动俘能器，包括底座，在所述的底座的顶壁上固定有一个盖板，在所述的底座和盖板之间的空腔内从左至右依次沿竖直方向间隔设置有高速轴、低速轴以及固定齿轮的齿轮轴，在所述的高速轴上同轴线上下间隔连接有螺旋单向激励机构、转子发电模块的转子结构以及限位块，低速轴的齿轮轴的上下两端均分别与安装在盖板以及底座内的轴承的内圈固定相连；在所述的低速轴上套装固定有主动轮和从动齿轮，所述的主动轮和从动齿轮上下固定相连，所述的高速轴以及固定齿轮的齿轮轴的底部固定在底座上，所述的齿轮轴的下端与底座固定连接；
固定梁一端压紧固定齿轮设置，固定梁另一端固定连接在底座上；固定齿轮与从动齿轮啮合，所述的固定齿轮的齿数与从动齿轮的齿数的比值大于1，所述的固定梁具有能够与人体固定的固定端，所述的螺旋单向激励机构包括中间开有内螺纹孔的外层部分，所述的外层部分位于转子结构上方，在内层部分下部外壁上设置有外螺纹，所述的内层部分的下部外螺纹与外层部分的内螺纹孔螺纹连接，在外层部分上部设置有从动轮，所述的从动轮通过皮带与主动轮相连接，所述主动轮的直径大于从动轮的直径，所述的内层部分以及限位块与底座固定相连，所述的转子结构与高速轴转动相连，在所述的转子结构和限位块之间的高速轴上套有弹簧，所述的弹簧的上下两端分别与转子结构、限位块固定相连，所述的外层部分能够上下移动远离转子结构或者与转子结构接触并在摩擦力作用下带动转子结构转动，转子发电模块的定子安装在底座内部。
本发明的有益效果是：
本发明结构引入了齿轮传动机构、带传动机构以及螺旋单向激励机构，以期能够将人体的低频运动信号，利用齿轮传动机构和带传动机构的传动比，转化为高频信号。进一步通过螺旋单向激励组件将信号传递到转子发电模块将机械能转化为电能，从而达到提高人体运动能量的采集效率的目的，可以缓解现有能量俘获器无法有效采集人体低频运动能量和能量采集领域存在能量俘获效率较低的问题，提高了能量采集效率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种可穿戴人体上肢运动俘能器立体图；
图2为本发明实施例提供的一种可穿戴人体上肢运动俘能器主视图；
图3为图1所示的俘能器中的低速轴立体图；
图4为图3所示的低速轴的主视图；
图5为图1所示的俘能器中的高速轴立体图；
图6为本发明实施例提供的一种螺旋单向激励机构的立体图；
图7为本发明俘能器人体佩戴示意图；
图8-1是图7所示结构慢走实验测试电压波形图；
图8-2是图7所示结构跑步实验测试电压波形图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
如附图所示的本发明的一种可穿戴人体上肢俘能器机械结构，包括底座8，在所述的底座8的顶壁上固定有一个盖板7，在所述的底座8和盖板之间的空腔内从左至右依次沿竖直方向间隔设置有高速轴、低速轴9以及固定齿轮3的齿轮轴，在所述的高速轴上同轴线上下间隔连接有螺旋单向激励机构、转子发电模块的转子结构5以及限位块，低速轴9的齿轮轴的上下两端均分别与安装在盖板7以及底座8内的轴承的内圈固定相连。在所述的低速轴9上套装固定有主动轮2和从动齿轮6，所述的主动轮2和从动齿轮6上下固定相连。所述的高速轴上下两端均分别与安装在盖板7以及底座8固定连接，所述的齿轮轴的下端与底座8固定连接。
固定梁4一端压紧固定齿轮3设置，固定齿轮3由所述固定梁4将其固定，固定梁4另一端固定连接在底座8上；固定齿轮3与从动齿轮6啮合，所述的固定齿轮的齿数与从动齿轮的齿数的比值大于1，所述的固定梁具有能够与人体固定的固定端。本齿轮传动机构的效果在于组成一个小的齿轮可以围绕一个大的固定齿轮做圆周转动。固定梁的作用在于，一方面可以将固定齿轮完全锁死，让其充分“固定”，另一方面便于和人体连接，固定梁伸出的部分可以固定在身体，以便更好的采集人体运动的能量。设计为圆周转动的目的在于穿戴于人体后，随着大臂的摆动，整个机构围绕固定齿轮的圆心进行摆动，此时其内部就会形成从动齿轮围绕固定齿轮做小半圈的圆周摆动。
所述的螺旋单向激励机构包括中间开有内螺纹孔的外层部分10，所述的外层部分位于转子结构上方，在内层部分11下部外壁上设置有外螺纹，所述的内层部分的下部外螺纹与外层部分的内螺纹孔螺纹连接，在外层部分上部设置有从动轮，所述的从动轮通过皮带与主动轮2相连接，所述主动轮2的直径大于从动轮的直径。所述的内层部分以及限位块与底座固定相连，所述的转子结构与高速轴转动相连，在所述的转子结构和限位块之间的高速轴上套有弹簧，所述的弹簧的上下两端分别与转子结构、限位块固定相连，所述的外层部分能够上下移动远离转子结构或者与转子结构接触并在摩擦力作用下带动转子结构转动。转子发电模块的定子安装在底座8内部。
由于人体上臂运动规律为往复运动，且螺旋单向激励机构内层部分与底座固定连接，因此，外层部分可在高速轴轴向方向上下移动，从而实现与转子结构5的反复接触和脱离的运动过程。在螺旋单向激励机构外层部分压紧转子结构5的过程中因接触产生摩擦力带动转子结构5转动。由于螺旋单向激励机构外层部分远离转子结构5过程中转动方向固定，因此螺旋单向激励机构可实现对转子结构5的单向转动激励。
优选的，发电限位板1为圆环结构，发电限位板1间隔套装在外层部分的外部且位于转子结构5的上方，所述的发电限位板的边缘固定在底座8内壁突起的圆环台上，发电限位板的作用是限制单向激励机构外层部分的移动范围。
本装置将螺旋单向激励机构的能量传递到转子发电模块中，并利用法拉第电磁感应定律进行发电。转子发电模块的结构可以参见Guo S,Gao S,Jin L,et al.Mechanism,theory and application research of a rotating electromagnetic energyharvester suitable for multi-directional excitation[J].Journal of Physics,D.Applied Physics:A Europhysics Journal,2022(8):55(高世桥等.多向激励的旋转式电磁能量采集器的机理、理论及应用研究[J].物理杂志,D.应用物理:欧洲物理杂志,2022(8):55)。
优选的，所述盖板7边缘与所述底座8通过可拆卸的方式连接。
本装置的工作原理如下：
如图7所示，该装置上侧通过固定梁固定在肩膀上表面，主体结构通过绑带固定在大臂。当人体步行摆臂时，所述齿轮传动机构中，所述底座摆动带动所述从动齿轮绕所述固定齿轮圆心公转，所述从动齿轮与所述固定齿轮啮合，所述从动齿轮在公转同时进行自转，所述带传动机构中主动轮与所述从动齿轮与所述低速轴连接并进行同轴、同速转动，所述带传动机构中主动轮通过带与所述螺旋单向激励机构外层部分连接，主动轮转动带动所述螺旋单向激励机构外层部分进行加速转动；当人体向前摆臂时，所述螺旋单向激励机构外层部分与所述螺旋单向激励机构内层部分发生相对转动，由于二者通过螺纹连接，所述螺旋单向激励机构外层部分与所述转子发电模块中转子结构距离逐渐变小，直至相互接触并发生相互挤压；当人体向后摆臂时，所述螺旋单向激励机构外层部分与所述转子发电模块中转子部分迅速相对转动；由于所述螺旋单向激励机构外层部分与所述螺旋单向激励机构内层部分通过螺纹连接，所述螺旋单向激励机构外层部分在转动的过程中逐渐与所述转子发电模块中转子部分脱离接触，此时，所述转子发电模块中转子结构由于自身惯性会持续转动；在人体前后交替摆臂时往复实现上述过程，引起所述转子发电模块中转子部分持续周期性高速转动；所述转子发电模块中转子部分外圈的永磁铁与所述底座中定子部分的线圈发生相对转动，永磁铁与线圈进行切割磁感线运动，从而实现发电。
对本装置的测试过程如下：
将该装置穿戴于实验者右侧大臂。
转子发电模块的导线连接在RIGOL示波器用于检测电压波形信号。
在实验室条件下，实验者进行了慢走和跑步两种运动模式，得到两种运动模式下的检测结果。
测试效果为在慢走和跑步两种状态下均得到交流电规律的电流。如图8-1所示，在慢走过程中，电压频率较低，峰值电压降低，有效值较低；如图8-2所示，在跑步过程中，电压频率较高，峰值电压较高，有效值较高。
由此可以得出结论：无论跑步或者慢走等运动状态下，该设备均可以实现满足人体可穿戴传感器供电的需求，运动越剧烈，发电效率越高，该发电可存储于储能电路中并输送给其它设备，储能电路可以参见P.Mayer,M.Magno,L.Benini,Energy-positiveactivity recognition-from kinetic energy harvesting to smart self-sustainablewearable devices[J],IEEE Transactions On Biomedical Circuits And Systems,2021,15(5):926-937(菲利普.迈尔等,能量正活动识别-从动能收集到智能自我可持续可穿戴设备[J],IEEE生物医学电路与系统汇刊,2021,15(5):926-937)，由于储存能量不是本发明的发明点，因此不予详述。
所属领域的技术人员可以清楚地了解到，为描述的方便和简洁，上述描述的系统和装置的具体工作过程，可以参考前述方法实施例中的对应过程，在此不再赘述。
另外，在本发明实施例的描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
最后应说明的是：以上所述实施例，仅为本发明的具体实施方式，用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，本发明的保护范围并不局限于此，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改或可轻易想到变化，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改、变化或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明实施例技术方案的精神和范围，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应所述以权利要求的保护范围为准。
Claims (3)
1.一种可穿戴人体上肢运动俘能器，其特征在于：包括底座(8)，在所述的底座的顶壁上固定有一个盖板(7)，在所述的底座和盖板之间的空腔内从左至右依次沿竖直方向间隔设置有高速轴、低速轴(9)以及固定齿轮(3)的齿轮轴，在所述的高速轴上同轴线上下间隔连接有螺旋单向激励机构、转子发电模块的转子结构(5)以及限位块，低速轴的齿轮轴的上下两端均分别与安装在盖板以及底座内的轴承的内圈固定相连；在所述的低速轴上套装固定有主动轮(2)和从动齿轮(6)，所述的主动轮和从动齿轮上下固定相连，所述的高速轴以及固定齿轮的齿轮轴的底部固定在底座上，所述的齿轮轴的下端与底座固定连接；
固定梁(4)一端压紧固定齿轮设置，固定梁另一端固定连接在底座上；固定齿轮(3)与从动齿轮(6)啮合，所述的固定齿轮的齿数与从动齿轮的齿数的比值大于1，所述的固定梁具有能够与人体固定的固定端，所述的螺旋单向激励机构包括中间开有内螺纹孔的外层部分(10)，所述的外层部分位于转子结构上方，在内层部分(11)下部外壁上设置有外螺纹，所述的内层部分的下部外螺纹与外层部分的内螺纹孔螺纹连接，在外层部分上部设置有从动轮，所述的从动轮通过皮带与主动轮(2)相连接，所述主动轮的直径大于从动轮的直径，所述的内层部分以及限位块与底座固定相连，所述的转子结构与高速轴转动相连，在所述的转子结构和限位块之间的高速轴上套有弹簧，所述的弹簧的上下两端分别与转子结构、限位块固定相连，所述的外层部分能够上下移动远离转子结构或者与转子结构接触并在摩擦力作用下带动转子结构转动，转子发电模块的定子安装在底座内部。
2.根据权利要求1所述的可穿戴人体上肢运动俘能器，其特征在于：一个圆环结构发电限位板间隔套装在外层部分的外部且位于转子结构的上方，发电限位板的边缘固定在底座内壁突起的圆环台上。
3.根据权利要求1或者2所述的可穿戴人体上肢运动俘能器，其特征在于：所述盖板边缘与底座圆环台通过可拆卸的方式连接。
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