CN118148866A - 一种飞轮式人体足部机械能收集装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞轮式人体足部机械能收集装置，该机械能收集装置安装于鞋底内，脚踏板转动安装于底座，脚踏板的底面设置有下行传动齿条和上抬传动齿条；扭簧套设于踏板轴上；飞轮的两侧内缘设置有互为镜像的齿状表面，齿状表面形成棘轮被动轮；飞轮的两侧依次分布有棘爪、棘轮主动轮以及微型发电机；棘爪互为镜像结构；棘爪转动连接于棘轮主动轮，与齿状表面咬合且形成单向传动机构；微型发电机的发电机轴与飞轮共轴相连，并与飞轮同步旋转；棘轮主动轮空套于发电机轴上；一个棘轮主动轮与上抬传动齿条啮合，另一个棘轮主动轮与下行传动齿条啮合。上述机械能收集装置能够将人体行走时释放的泛在机械能不间断地转化为直流电能。

Description

一种飞轮式人体足部机械能收集装置

技术领域

本发明涉及可穿戴泛在能源俘获技术领域，具体涉及一种飞轮式人体足部机械能收集装置。

背景技术

智能手表、智能眼镜等可穿戴设备已经深入到我们的日常生活中，在监测、传感、采集等领域的智能化发展中发挥了关键作用，它们不仅提供了便捷的信息获取和交互方式，还为我们的健康和生活带来了许多便利。然而，随着这些设备功能的不断增强和多样化，对能源的需求也在不断增加，可穿戴设备体积和重量受限，使得其工作时长受到限制，传统的电池供电无法满足可穿戴设备的长生命周期和绿色环保需求，频繁的充电也给用户带来了不便。如何有效地为这些低功耗电子设备供能，已经成为了限制其进一步发展的关键问题。

随着可穿戴设备的发展，人们开始收集人体在运动中释放的能量，例如行走时足部运动或手臂摆动释放的能量。现在已经有很多种吸收足部机械能来发电的装置，一般来说这些装置的发电原理主要分为三种：机械齿轮传动式、压电式和电磁式，如：现有技术公开了一种基于脚底压力的自发电智能鞋垫，正常脚部行走或跑步运动时，设备自身就产生5V电压的电能并贮存于设备内部自己的锂电池中，同时通过USB接口与连线输出电力，但压电陶瓷的机械强度相对较低，容易受到外力作用而损坏，且原料中包含铅等有毒物质；同时现有技术还公开了一种高效能运动发电鞋，通过鞋底弯曲时导电片进行不平行于磁性片平面方向上的运动，以使导电片在磁性片产生的磁场里做切割磁感线运动，产生电磁感应电流，但这种方法对能量的收集效率低且长期线圈易被损坏。

发明内容

本发明提供了一种飞轮式人体足部机械能收集装置，该机械能收集装置能够将人体行走时释放的泛在机械能以动能的形式短暂储存在单向旋转飞轮中，并不间断地转化为直流电能，且结构简单、成本低。

本发明采用以下具体技术方案：

一种飞轮式人体足部机械能收集装置，该机械能收集装置安装于鞋底内，并包括底座、脚踏板、扭簧、两个棘轮主动轮、棘爪、飞轮、两个微型发电机以及能量管理电路板；

所述底座的顶部具有与所述脚踏板形状配合的开口，内部具有空腔；所述脚踏板的一端通过踏板轴转动安装于所述底座的顶部，另一端的底面设置有沿所述踏板轴的轴向间隔分布且呈圆弧形的下行传动齿条和上抬传动齿条；所述扭簧套设于所述踏板轴上，用于向所述脚踏板提供上抬的弹力；

所述飞轮安装于所述底座内，并位于所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条之间；所述飞轮的两侧内缘设置有互为镜像的齿状表面，所述齿状表面形成棘轮被动轮；沿所述飞轮的轴向，所述飞轮的两侧依次分布有所述棘爪、所述棘轮主动轮以及所述微型发电机；所述棘爪互为镜像结构；所述棘爪转动连接于所述棘轮主动轮，与所述飞轮的齿状表面咬合且形成单向传动机构；所述微型发电机固定安装于所述底座；所述微型发电机的发电机轴与所述飞轮共轴相连，并与所述飞轮同步旋转；所述棘轮主动轮空套于所述微型发电机的发电机轴上；一个所述棘轮主动轮与所述上抬传动齿条啮合，另一个所述棘轮主动轮与所述下行传动齿条啮合；

所述能量管理电路板固定安装于所述底座内底部，用于实现对所述微型发电机输出的电能进行存储，并为负载提供稳定的电能。

更进一步地，所述下行传动齿条的齿朝向所述踏板轴一侧；所述上抬传动齿条的齿朝向远离所述踏板轴的一侧；

两个所述微型发电机为对称分布于所述飞轮两侧的左侧微型发电机和右侧微型发电机；两个所述棘轮主动轮为空套于所述左侧微型发电机的发电机轴上的左侧棘轮主动轮和空套于所述右侧微型发电机的发电机轴上的右侧棘轮主动轮；所述左侧棘轮主动轮包括与所述上抬传动齿条啮合的左侧圆形齿轮；所述右侧棘轮主动轮包括与所述下行传动齿条啮合的右侧圆形齿轮；

所述棘爪包括转动连接于所述左侧棘轮主动轮的左棘爪和转动连接于所述右侧棘轮主动轮的右棘爪；所述左棘爪与所述飞轮左侧的齿状表面咬合；所述右棘爪与所述飞轮右侧的齿状表面咬合；所述左棘爪和所述右棘爪互为镜像结构。

更进一步地，所述下行传动齿条的分度圆半径为所述下行传动齿条到所述踏板轴的距离；所述上抬传动齿条的分度圆半径为所述上抬传动齿条到所述踏板轴的距离；

所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条的分度圆半径差等于所述左侧棘轮主动轮的分度圆直径或者所述右侧棘轮主动轮的分度圆直径。

更进一步地，所述底座和所述脚踏板均采用硬质塑料；

所述左侧棘轮主动轮、所述右侧棘轮主动轮以及所述棘爪均采用高硬度轻质合金材料；

所述飞轮采用高密度合金材料；

所述扭簧采用304钢材料。

更进一步地，所述底座为镂空结构，并设置有用于固定安装两个所述微型发电机的左侧电机座和右侧电机座。

更进一步地，还包括用于所述脚踏板的限位结构；

所述限位结构用于限定所述脚踏板的下行极限位置与上抬极限位置。

更进一步地，所述限位结构包括设置于所述底座内壁的限位挡边和限位凸起、以及设置于所述脚踏板底面的限位钩；

所述限位挡边形成所述脚踏板的下行极限位置；

所述限位凸起与所述限位钩对应配合，形成所述脚踏板的上抬极限位置。

更进一步地，所述脚踏板设置有通孔和与所述通孔连通的凹槽；

所述踏板轴贯穿所述通孔设置，且两端部通过卡簧安装于所述底座；

所述扭簧容置于所述通孔内，两个支脚伸出所述凹槽，其中一个支脚抵接于所述脚踏板的底面，另一个支脚抵接于所述底座的内壁。

更进一步地，所述脚踏板设置有沿所述踏板轴的轴向间隔设置的两个所述凹槽。

更进一步地，所述飞轮在沿其轴向的中部具有环形凹陷；

所述能量管理电路板由充电电路、储能模块、稳压电路以及供电接口组成；

所述充电电路用于实现宽压输入对所述储能模块进行恒压、恒流结合的最大功率充电；储能模块用于储存所述微型发电机产生的电能；所述稳压电路用于在所述储能模块的端电压动态变化下为负载提供稳定的供电电压；所述供电接口用于为负载提供电能。

有益效果：

1、本发明的飞轮式人体足部机械能收集装置采用飞轮进行储能，飞轮储能技术具备绿色无污染、使用寿命长的突出优点；飞轮储能系统基于定轴旋转的动能定理，将走路时产生的机械能以动能的形式存储在旋转飞轮中，利用飞轮储能技术存储人体运动机械能，将不连续、不稳定、双向的人体足部往复运动转换为飞轮的持续、单向旋转运动，进而利用惯性带动微型发电机的转子持续转动，将不连续、双向的机械能转化为持续的直流电能，为负载供能；利用飞轮存储人体动能带动微型发电机进行能量转化获得直流电能，避免使用整流桥等传统整流模块，可以显著提高能量转化效率，对于泛在机械能源收集效果显著。

2、通过脚踏板的两个齿条与齿轮啮合能够充分吸收人体脚后跟踩踏产生的垂直动量；通过限位结构能够限制脚踏板绕踏板轴的转动角度，脚踏板抬起角度小能在发电的同时保证人行走的舒适性；两个棘轮主动轮上的微型圆形齿轮半径小、强度高，在齿条运动范围有限的情况下可以转动较大的角度，从而充分利用足部落地瞬间的踩踏压力来增大飞轮转动的角速度；同时能起到缓冲作用，降低结构所承受的最大应力，延长使用寿命。

3、脚踏板与飞轮之间采用由棘轮主动轮、棘爪和飞轮的齿状表面构成的棘轮机构来传递机械能，减小了摩擦阻力，提高了机械能的利用率。由于飞轮内缘具备齿状表面，棘爪在棘轮被动轮转动速度快于棘轮主动轮时不与齿状边缘咬合；而当棘轮主动轮转动速度快于棘轮被动轮时，棘爪由于离心力向外甩出并与齿状边缘咬合，带动棘轮被动轮进行同角速度旋转。使用棘轮机构为飞轮传递动力，可保证飞轮在工作过程中始终单向旋转。

4、利用扭簧与双棘轮机构来维持足部抬起时飞轮的旋转；当足底着地时，脚踏板受压使齿条向下运动，扭簧被压缩，下行传动齿条使右侧棘轮主动轮正向旋转，通过棘爪带动双侧飞轮加速旋转，此时上抬传动齿条使左侧棘轮主动轮反向旋转，在左棘爪的作用下左侧棘轮主动轮的旋转动力被隔离，不会传递至飞轮，从而避免干扰飞轮的旋转；当足部抬起时，扭簧被释放，使脚踏板抬起，上抬传动齿条使左侧棘轮主动轮正向旋转，通过左棘爪带动双侧飞轮继续加速旋转，此时右侧棘轮主动轮在右棘爪的作用下同样不会干扰飞轮的旋转。因此，采用上述传动结构在人行走的全过程中都能稳定的将机械能转化为电能。

5、在飞轮中间采用凹陷设计，凹陷部分可缠绕金属丝改变其重量，从而可以根据人体不同的体重调节飞轮的重量，增强产品的适用性。

6、本发明的机械能收集装置具有结构简单、材料成本低、环保、易于获取、飞轮和发电机结构易于拆卸和组装的特点，可以根据工作环境的变化制作不同尺寸的部件，提高了装置的可用性。

附图说明

图1为本发明飞轮式人体足部机械能收集装置的立体结构示意图；

图2为图1中飞轮式人体足部机械能收集装置的爆炸结构示意图；

图3为去除脚踏板后底座内的结构示意图；

图4为脚踏板的结构示意图；

图5为底座的结构示意图；

图6为本发明飞轮式人体足部机械能收集装置安装于鞋底的结构示意图。

其中，1-飞轮式人体足部机械能收集装置，2-鞋底，11-底座，12-脚踏板，13-扭簧，14-左侧棘轮主动轮，15-右侧棘轮主动轮，16-左棘爪，17-右棘爪，18-飞轮，19-踏板轴，20-左侧微型发电机，21-右侧微型发电机，22-卡簧，111-左侧电机座，112-右侧电机座，113-限位挡边，114-限位凸起，121-下行传动齿条，122-上抬传动齿条，123-限位钩，124-通孔，125-凹槽，141-左侧圆形齿轮，151-右侧圆形齿轮，181-齿状表面，201-左侧发电机轴，211-右侧发电机轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

本实施例提供了一种飞轮式人体足部机械能收集装置1，如图1和图6结构所示，该机械能收集装置安装于脚后跟的鞋底2内，并包括底座11、脚踏板12、扭簧13、两个棘轮主动轮、棘爪、飞轮18、两个微型发电机以及能量管理电路板；底座11和脚踏板12均采用硬质塑料；需要说明的是：在本实施例中，在图1和图2中页面左侧为飞轮18的左侧，页面右侧为飞轮18的右侧；而在图3中，则页面下侧为飞轮18的左侧，页面上侧为飞轮18的右侧；

如图1、图2和图5结构所示，底座11可以为薄壳结构，顶部具有与脚踏板12形状配合的开口，内部具有空腔；底座11为镂空结构，保证结构强度的同时减轻重量；底座11设置有用于固定安装两个微型发电机的左侧电机座111和右侧电机座112，方便微型发电机的固定安装；

脚踏板12的一端通过踏板轴19转动安装于底座11的顶部，另一端的底面设置有沿踏板轴19的轴向间隔分布且呈圆弧形的下行传动齿条121和上抬传动齿条122；下行传动齿条121的齿朝向踏板轴19一侧；上抬传动齿条122的齿朝向远离踏板轴19的一侧；下行传动齿条121的分度圆半径为下行传动齿条121到踏板轴19的距离；上抬传动齿条122的分度圆半径为上抬传动齿条122到踏板轴19的距离；扭簧13采用304钢材料，扭簧13套设于踏板轴19上，用于向脚踏板12提供上抬的弹力，一个支脚抵接于脚踏板12的底面，另一个支脚抵接于底座11的内壁，扭簧13始终处于压缩状态；扭簧13的线径可以根据使用者体重选定，对于体重较重者可使用较大线径的扭簧13以增大回复力，在足部向下踩踏时最大限度储存弹性势能；

飞轮18安装于底座11内，并位于下行传动齿条121与上抬传动齿条122之间；飞轮18在沿其轴向的中部具有环形凹陷；飞轮18的两侧内缘均设置有齿状表面181，并且两侧的齿状表面181互为镜像，齿状表面181形成棘轮被动轮；沿飞轮18的轴向，飞轮18的两侧依次分布有棘爪、棘轮主动轮以及微型发电机；棘爪互为镜像结构；棘爪转动连接于棘轮主动轮，与飞轮18的齿状表面181咬合且形成单向传动机构；微型发电机固定安装于底座11；微型发电机的发电机轴与飞轮18共轴相连，并与飞轮18同步旋转；棘轮主动轮空套于微型发电机的发电机轴上；一个棘轮主动轮与上抬传动齿条122啮合，另一个棘轮主动轮与下行传动齿条121啮合；两个棘轮主动轮的转动方向始终相反，但由于棘爪与棘轮被动轮之间单向传递扭矩的特点，在同一时间对飞轮18施加扭矩的棘轮主动轮不多于1个；由于飞轮18两侧的齿状表面181互为镜像，所以两个棘轮主动轮始终对飞轮18做正功。飞轮18采用高密度合金材料或者密度尽可能大的合金材料，使得在人行走过程中短暂抬腿滞空时或者短暂站立支撑时避免飞轮18的转速大幅下降，从而实现发电机的长时间稳定输出，有利于电能的存储与利用；

能量管理电路板固定安装于底座11内底部，用于实现对微型发电机输出的电能进行存储，并为负载提供稳定的电能；能量管理电路板由充电电路、储能模块、稳压电路以及供电接口组成；充电电路用于实现宽压输入对储能模块进行恒压、恒流结合的最大功率充电；储能模块用于储存微型发电机产生的电能；储能模块可选择超级电容器，也可替换或搭配电解质电容、钽电容、锂电池等储能器件构成多元存储；稳压电路用于在储能模块的端电压动态变化下为负载提供稳定的供电电压；供电接口用于为负载提供电能，供电接口可根据负载具体需求选用但不局限于USB、DC、排针等接口形式。

两个微型发电机选型相同、位置对称、转速相同，通过串联构成发电机组，输出的直流电压增倍，通过充电电路为储能模块高效充电，实现电能存储，稳压电路将储能模块中的电压转化为稳定的电源电压，为负载供能。

一种具体的实施方式中，两个微型发电机为对称分布于飞轮18两侧的左侧微型发电机20和右侧微型发电机21；两个棘轮主动轮为空套于左侧微型发电机20的发电机轴上的左侧棘轮主动轮14和空套于右侧微型发电机21的发电机轴上的右侧棘轮主动轮15；左侧棘轮主动轮14包括与上抬传动齿条122啮合的左侧圆形齿轮141和用于固定安装于棘爪的固定板；右侧棘轮主动轮15包括与下行传动齿条121啮合的右侧圆形齿轮151和用于固定安装于棘爪的固定板；

棘爪包括转动连接于左侧棘轮主动轮14的左棘爪16和转动连接于右侧棘轮主动轮15的右棘爪17，左棘爪16和右棘爪17转动连接于对应侧棘轮主动轮的固定板；左棘爪16与飞轮18左侧的齿状表面181咬合；右棘爪17与飞轮18右侧的齿状表面181咬合；左棘爪16和右棘爪17互为镜像结构；如图2结构所示，在飞轮18的两侧分别设置有两个左棘爪16和两个右棘爪17，两个左棘爪16对称分布于飞轮18的旋转轴线两侧且转动连接于左侧棘轮主动轮14，两个左棘爪16均与飞轮18左侧的齿状表面181咬合，两个右棘爪17对称分布于飞轮18的旋转轴线两侧且转动连接于右侧棘轮主动轮15，两个右棘爪17均与飞轮18右侧的齿状表面181咬合；左侧棘轮主动轮14、右侧棘轮主动轮15以及棘爪均采用高硬度轻质合金材料，从而延长使用寿命。

下行传动齿条121与上抬传动齿条122的分度圆半径差等于左侧棘轮主动轮14的分度圆直径或者右侧棘轮主动轮15的分度圆直径，即，下行传动齿条121与上抬传动齿条122的分度圆半径差等于左侧棘轮主动轮14的分度圆直径，同时，下行传动齿条121与上抬传动齿条122的分度圆半径差也等于右侧棘轮主动轮15的分度圆直径。

更进一步地，上述机械能收集装置还包括用于脚踏板12的限位结构；限位结构用于限定脚踏板12的下行极限位置与上抬极限位置。如图3、图4和图5结构所示，限位结构可以包括设置于底座11内壁的限位挡边113和限位凸起114、以及设置于脚踏板12底面的限位钩123；限位挡边113设置于底座11的内壁，在脚踏板12向下运动时对其进行阻挡，形成脚踏板12的下行极限位置；限位凸起114与限位钩123对应配合，形成脚踏板12的上抬极限位置，在底座11的内壁设置有两个对称的限位凸起114，同时在脚踏板12的底面设置有两个对称的限位钩123，限位凸起114用于对限位钩123的上抬进行限位，限制对应限位钩123的上限位置，从而实现对脚踏板12的上抬极限进行限位。扭簧13的最大扭动角度由限位凸起114的位置决定。

如图4结构所示，脚踏板12设置有通孔124和与通孔124连通的凹槽125；踏板轴19贯穿通孔124设置，且两端部通过卡簧22安装于底座11；扭簧13通过凹槽125后进入通孔124内，并容置于通孔124内，两个支脚伸出凹槽125，其中一个支脚抵接于脚踏板12的底面，另一个支脚抵接于底座11的内壁。如图2结构所示，脚踏板12可以设置有沿踏板轴19的轴向间隔设置的两个凹槽125，通过两个凹槽125内的扭簧13将脚踏板12弹性支撑于底座11，通过两个扭簧13能够稳定支撑脚踏板12，扭簧13的弹力使得脚踏板12始终具有上抬的趋势；两个扭簧13的旋转方向相反；

上述机械能收集装置采用飞轮18进行储能，飞轮储能技术具备绿色无污染、使用寿命长的突出优点；飞轮储能系统基于定轴旋转的动能定理，将走路时产生的机械能以动能的形式存储在旋转飞轮18中，利用飞轮储能技术存储人体运动机械能，将不连续、不稳定、双向的人体足部往复运动转换为飞轮18的持续、单向旋转运动，进而利用惯性带动微型发电机的转子持续转动，将不连续、双向的机械能转化为持续的直流电能，为负载供能；利用飞轮18存储人体动能带动微型发电机进行能量转化获得直流电能，避免使用整流桥等传统整流模块，可以显著提高能量转化效率，对于泛在机械能源收集效果显著。

上述机械能收集装置通过脚踏板12的两个齿条与齿轮啮合能够充分吸收人体脚后跟踩踏产生的垂直动量；通过限位结构能够限制脚踏板12绕踏板轴19的转动角度，脚踏板12抬起角度小能在发电的同时保证人行走的舒适性；两个棘轮主动轮上的微型圆形齿轮半径小、强度高，在齿条运动范围有限的情况下可以转动较大的角度，从而充分利用足部落地瞬间的踩踏压力来增大飞轮18转动的角速度；同时能起到缓冲作用，降低结构所承受的最大应力，延长使用寿命。

上述机械能收集装置的脚踏板12与飞轮18之间采用由棘轮主动轮、棘爪和飞轮18的齿状表面181构成的棘轮机构来传递机械能，减小了摩擦阻力，提高了机械能的利用率。由于飞轮18内缘具备齿状表面181，棘爪在棘轮被动轮转动速度快于棘轮主动轮时不与齿状边缘咬合；而当棘轮主动轮转动速度快于棘轮被动轮时，棘爪由于离心力向外甩出并与齿状边缘咬合，带动棘轮被动轮进行同角速度旋转。使用棘轮机构为飞轮18传递动力，可保证飞轮18在工作过程中始终单向旋转。

上述机械能收集装置利用扭簧13与双棘轮机构来维持足部抬起时飞轮18的旋转；当足底着地时，脚踏板12受压使齿条向下运动，扭簧13被压缩，下行传动齿条121使右侧棘轮主动轮15正向旋转，通过右棘爪17带动双侧飞轮18加速旋转，此时上抬传动齿条122使左侧棘轮主动轮14反向旋转，在左棘爪16的作用下左侧棘轮主动轮14的旋转动力被隔离，不会传递至飞轮18，从而避免干扰飞轮18的旋转；当足部抬起时，扭簧13被释放，使脚踏板12抬起，上抬传动齿条122使左侧棘轮主动轮14正向旋转，通过左棘爪16带动双侧飞轮18继续加速旋转，此时右侧棘轮主动轮15在右棘爪17的作用下同样不会干扰飞轮18的旋转。因此，采用上述传动结构在人行走的全过程中都能稳定的将机械能转化为电能。

上述机械能收集装置的飞轮18中间采用凹陷设计，凹陷部分可缠绕金属丝改变其重量，从而可以根据人体不同的体重调节飞轮18的重量，增强产品的适用性。

上述机械能收集装置中，飞轮18为双侧飞轮，飞轮18的两侧均可输入动力，两个棘轮主动轮、两侧互为镜像结构的棘爪和两侧带有镜像齿状表面181的双侧飞轮18构成双向棘轮-飞轮机械能储存装置，脚踏板12与双向棘轮-飞轮机械能储存装置连接，双侧飞轮18直接与两个微型发电机连接；利用飞轮储能装置收集人体行走时产生的踩踏能量，在足部向下踩踏时，脚踏板12向下转动，将垂直向下运动的机械能通过一侧的棘轮机构同时转化为飞轮18转动的动能和扭簧13的弹性势能；在足部向上抬起时，扭簧13的弹力驱动脚踏板12向上抬起，通过另一侧的棘轮机构将扭簧13的弹性势能转化为飞轮18的动能，飞轮18转动带动微型发电机，将飞轮18的机械能转化为电能，产生的电能可以为各种低功耗的用电设备供电。

如图1所示，上述机械能收集装置具有体积小、重量轻的特点，可以放置在鞋底2的鞋根部的凹槽125内，装置的大部分隐藏在鞋的中底处，只有踏板露出，对人的正常行走影响较小。

上述飞轮式人体足部机械能收集装置1的工作原理及实现方式为：人体正常行走的运动特征可以概括为“触地-支撑-抬腿-摆腿-触地”的周期性运动；在“触地”阶段，足根部向下挤压脚踏板12，扭簧13被压缩，下行传动齿条121使右侧棘轮主动轮15正向旋转，通过右棘爪17带动双侧飞轮18加速旋转，进而带动两个微型发电机发电；此时，上抬传动齿条122使左侧棘轮主动轮14反向旋转，但不会干扰飞轮18的旋转。在“支撑”阶段，脚踏板12保持在最低位置，双侧飞轮18由于惯性继续带动两个微型发电机发电；在摩擦阻力和电磁阻力的共同作用下飞轮18转速逐渐下降。在“抬腿”阶段，扭簧13被释放，使脚踏板12抬起，上抬传动齿条122使左侧棘轮主动轮14正向旋转，通过左棘爪16带动双侧飞轮18加速旋转，进而带动两个微型发电机发电；此时，下行传动齿条121使右侧棘轮主动轮15反向旋转，但不会干扰飞轮18的旋转。在“摆腿”阶段，脚踏板12保持在最高位置，双侧飞轮18由于惯性继续带动两个微型发电机发电；在摩擦阻力和电磁阻力的共同作用下飞轮18转速逐渐下降；整个周期中双侧飞轮18转动方向不变，两个微型发电机持续输出直流电。

上述飞轮式人体足部机械能收集装置1的具体装配过程为：

首先，将能量管理电路板固定在底座11内底部，将左侧微型发电机20插入左侧电机座111，将双侧飞轮18插入左侧微型发电机20的左侧发电机轴201，起到固定飞轮18的作用；将脚踏板12与底座11上的孔对齐放置，使得双侧飞轮18恰好处于下行传动齿条121和上抬传动齿条122之间，且限位凸起114处于脚踏板12的限位钩123内；依次将左、右两侧的扭簧13压入脚踏板12的对应凹槽125中，同时插入踏板轴19固定，然后用卡簧22卡入踏板轴19两端的凹槽125中，防止踏板轴19滑动；

其次，将底座11右侧朝上放置，然后将右棘爪17插入右侧棘轮主动轮15，并放置在双侧飞轮18的相应位置，使下行传动齿条121与右侧棘轮主动轮15的圆形齿轮啮合；将右侧微型发电机21插入底座11的右侧电机座112中，使得右侧微型发电机21的右侧发电机轴211贯穿右侧棘轮主动轮15并插入双侧飞轮18中，这时左、右两侧的发电机轴各插入双侧飞轮18一半的深度；

接下来，按照同样的方法安装左侧棘轮机构；将底座11左侧朝上放置，取出左侧微型发电机20，将左棘爪16插入左侧棘轮主动轮14，并放置在双侧飞轮18的相应位置，使上抬传动齿条122与左侧棘轮主动轮14啮合；将左侧微型发电机20重新插入左侧电机座111中，使得左侧微型发电机20的左侧发电机轴201贯穿左侧棘轮主动轮14并插入双侧飞轮18中；

最后，将两个微型发电机的导线连接至能量管理电路板。

显然，本领域的技术人员可以对本发明实施例进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (10)

1.一种飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，其安装于鞋底内，并包括底座、脚踏板、扭簧、两个棘轮主动轮、棘爪、飞轮、两个微型发电机以及能量管理电路板；

所述底座的顶部具有与所述脚踏板形状配合的开口，内部具有空腔；所述脚踏板的一端通过踏板轴转动安装于所述底座的顶部，另一端的底面设置有沿所述踏板轴的轴向间隔分布且呈圆弧形的下行传动齿条和上抬传动齿条；所述扭簧套设于所述踏板轴上，用于向所述脚踏板提供上抬的弹力；

所述飞轮安装于所述底座内，并位于所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条之间；所述飞轮的两侧内缘设置有互为镜像的齿状表面，所述齿状表面形成棘轮被动轮；沿所述飞轮的轴向，所述飞轮的两侧依次分布有所述棘爪、所述棘轮主动轮以及所述微型发电机；所述棘爪互为镜像结构；所述棘爪转动连接于所述棘轮主动轮，与所述飞轮的齿状表面咬合且形成单向传动机构；所述微型发电机固定安装于所述底座；所述微型发电机的发电机轴与所述飞轮共轴相连，并与所述飞轮同步旋转；所述棘轮主动轮空套于所述微型发电机的发电机轴上；一个所述棘轮主动轮与所述上抬传动齿条啮合，另一个所述棘轮主动轮与所述下行传动齿条啮合；

所述能量管理电路板固定安装于所述底座内底部，用于实现对所述微型发电机输出的电能进行存储，并为负载提供稳定的电能。

2.如权利要求1所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述下行传动齿条的齿朝向所述踏板轴一侧；所述上抬传动齿条的齿朝向远离所述踏板轴的一侧；

两个所述微型发电机为对称分布于所述飞轮两侧的左侧微型发电机和右侧微型发电机；两个所述棘轮主动轮为空套于所述左侧微型发电机的发电机轴上的左侧棘轮主动轮和空套于所述右侧微型发电机的发电机轴上的右侧棘轮主动轮；所述左侧棘轮主动轮包括与所述上抬传动齿条啮合的左侧圆形齿轮；所述右侧棘轮主动轮包括与所述下行传动齿条啮合的右侧圆形齿轮；

所述棘爪包括转动连接于所述左侧棘轮主动轮的左棘爪和转动连接于所述右侧棘轮主动轮的右棘爪；所述左棘爪与所述飞轮左侧的齿状表面咬合；所述右棘爪与所述飞轮右侧的齿状表面咬合；所述左棘爪和所述右棘爪互为镜像结构。

3.如权利要求2所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述下行传动齿条的分度圆半径为所述下行传动齿条到所述踏板轴的距离；所述上抬传动齿条的分度圆半径为所述上抬传动齿条到所述踏板轴的距离；

所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条的分度圆半径差等于所述左侧棘轮主动轮的分度圆直径或者所述右侧棘轮主动轮的分度圆直径。

4.如权利要求2所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述底座和所述脚踏板均采用硬质塑料；

所述左侧棘轮主动轮、所述右侧棘轮主动轮以及所述棘爪均采用高硬度轻质合金材料；

所述飞轮采用高密度合金材料；

所述扭簧采用304钢材料。

5.如权利要求2所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述底座为镂空结构，并设置有用于固定安装两个所述微型发电机的左侧电机座和右侧电机座。

6.如权利要求1所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，还包括用于所述脚踏板的限位结构；

所述限位结构用于限定所述脚踏板的下行极限位置与上抬极限位置。

7.如权利要求6所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述限位结构包括设置于所述底座内壁的限位挡边和限位凸起、以及设置于所述脚踏板底面的限位钩；

所述限位挡边形成所述脚踏板的下行极限位置；

所述限位凸起与所述限位钩对应配合，形成所述脚踏板的上抬极限位置。

8.如权利要求1-7任意一项所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述脚踏板设置有通孔和与所述通孔连通的凹槽；

所述踏板轴贯穿所述通孔设置，且两端部通过卡簧安装于所述底座；

所述扭簧容置于所述通孔内，两个支脚伸出所述凹槽，其中一个支脚抵接于所述脚踏板的底面，另一个支脚抵接于所述底座的内壁。

9.如权利要求8所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述脚踏板设置有沿所述踏板轴的轴向间隔设置的两个所述凹槽。

10.如权利要求1-9任意一项所述的飞轮式人体足部机械能收集装置，其特征在于，所述飞轮在沿其轴向的中部具有环形凹陷；

所述能量管理电路板由充电电路、储能模块、稳压电路以及供电接口组成；

所述充电电路用于实现宽压输入对所述储能模块进行恒压、恒流结合的最大功率充电；储能模块用于储存所述微型发电机产生的电能；所述稳压电路用于在所述储能模块的端电压动态变化下为负载提供稳定的供电电压；所述供电接口用于为负载提供电能。