CN206237334U - 一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置 - Google Patents
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Abstract
一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，属于可穿戴能量收集领域。反对称双稳态层合板的第一、二层纤维复合材料层的纤维铺设方向均相同，第三、四层纤维复合材料层的纤维铺设方向均相同，第一、二层纤维复合材料层的纤维铺设方向与第三、四层纤维复合材料层的纤维铺设方向相垂直，第一、二层纤维复合材料层的外表面分别铺设有多个压电陶瓷片一和二，多个压电陶瓷片一及多个压电陶瓷片片二均与反对称双稳态层合板共固化成型，多个压电陶瓷片一之间通过导线一并联，多个压电陶瓷片二之间通过导线二并联，导线一与电池一连接，导线二与电池二连接，两条绷带与反对称双稳态层合板固定连接。本实用新型实用性强，发电效率高，易于人体关节共形。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种能量收集装置，特别涉及一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，属于可穿戴能量收集领域。
背景技术
人体运动作为日常生活中最常见的能量形式很难被收集利用，如果将这些能量收集储存起来并有效利用，如对手机等通信设备充电，以满足当务之急。压电材料是一种在外力作用下可以产生电荷的功能材料，能实现机械能到电能的转换，在能量收集领域有着广泛的应用。人体在步行、奔跑等运动时腿部膝关节和肘部运动幅度较大，因此开发一种结构简单、重量轻、发电效率高的人体运动能量收集系统具有重要的实际应用价值。
授权公告号为CN203445806U的实用新型专利公开了一种“关节运动发电装置”，该发电装置利用摩擦发电机实现关节运动发电；公布号为CN104578978A的发明专利申请公开了“一种便携可穿戴的温差发电装置”；公布号为CN104038016A的发明专利申请公开了一种“可穿戴式发电装置”；公布号为CN105186656A的发明专利申请公开了“一种穿戴式发电装置、穿戴式可发电衣服及发电的方法”；授权公告号为CN202333946U的实用新型专利公开了一种“胯关节运动能量收集装置”，该收集装置利用齿轮、磁铁和线圈等设计而成；公布号为CN105003402A的发明专利申请公开了一种“人体腿部运动能量收集系统及收集方法”，该收集系统包括人体腿部运动能量收集装置、电能管理模块和储能模块；公布号为CN105003401A的发明专利申请公开了一种“人体腿部运动能量收集装置”，该收集装置主要利用小腿下落阶段进行能量收集。
上述这些技术多以电磁能量收集为主，相对结构复杂，发电效率低。
发明内容
本实用新型的目的是提供一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，以解决现有的关节运动的可穿戴能量收集装置多以电磁能量收集为主，相对结构复杂，发电效率低的问题。
本实用新型能够解决人体在步行、奔跑等运动时，腿部、手部运动能量收集问题，能量收集后可对手机等便携式电子产品进行充电。
本实用新型是利用压电能量收集原理，将本实用新型能量收集装置固定在衣物或穿戴于人体关节表面，所述的能量收集装置与人体关节运动自然产生形状变化并进行能量收集。
实现上述目的，本实用新型采取的技术方案如下：
一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其组成包括：反对称双稳态层合板、两个电池、两条绷带和多个压电陶瓷片，所述的两个电池分别是电池一和电池二，所述的多个压电陶瓷片包括多个压电陶瓷片一和多个压电陶瓷片二，所述的反对称双稳态层合板包括四层纤维复合材料层，所述的四层纤维复合材料层为四层碳纤维复合材料层或者玻璃纤维复合材料层，四层纤维复合材料层由上至下依次定义为第一层纤维复合材料层、第二层纤维复合材料层、第三层纤维复合材料层和第四层纤维复合材料层，所述的第一层纤维复合材料层与第二层纤维复合材料层的纤维铺设方向均相同，所述的第三层纤维复合材料层与第四层纤维复合材料层的纤维铺设方向均相同，第一层纤维复合材料层和第二层纤维复合材料层的纤维铺设方向与第三层纤维复合材料层和第四层纤维复合材料层的纤维铺设方向相垂直，第一层纤维复合材料层的外表面铺设有多个压电陶瓷片一，第四层纤维复合材料层的外表面铺设有多个压电陶瓷片片二，所述的多个压电陶瓷片一及多个压电陶瓷片片二均与反对称双稳态层合板共固化成型，所述的多个压电陶瓷片一之间通过导线一并联，所述的多个压电陶瓷片二之间通过导线二并联，所述的导线一与电池一电连接，所述的导线二与电池二电连接，所述的两条绷带分别与反对称双稳态层合板长度方向的两端固定连接。
本实用新型相对于现有技术的有益效果是：
1、本实用新型利用反对称双稳态层合板的两种稳定构型（即伸直和弯曲两种稳定构型）随人体关节运动而改变，反对称双稳态层合板的刚柔性质可设计可控制；
2、反对称双稳态层合板的构型转变可发挥压电陶瓷片的特性，能量收集效果好；
3、本实用新型具有结构简单，实用性强，发电效率高，易于人体共形的特点。
综上，本实用新型利用绷带将可穿戴能量收集装置绑在人体肘部和/或膝盖部分，在人体运动过程中反对称双稳态层合板发生变形，实现能量收集功能，并将能量储于电池内，因此本实用新型为一种可穿戴的能量收集设备。
附图说明
图1为本实用新型的利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置的主视方向的轴测图；
图2为本实用新型的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置的仰视方向的轴测图；
图3为本实用新型中的反对称双稳态层合板的铺层方式示意图；
图4为将本实用新型的利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置穿戴于人体的肘部的结构示意图；
图5为将本实用新型的利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置穿戴于人体的膝盖部位的结构示意图；
图6为压电陶瓷片一、导线一及电池一连接的示意图；
图7为压电陶瓷片二、导线二及电池二连接的示意图。
图中：1-反对称双稳态层合板；2-绷带；3-肘部；4-膝盖；5-压电陶瓷片；5-1-压电陶瓷片一、5-2-压电陶瓷片二；6-电池一；7-电池二；8-第一层纤维复合材料层；9-第二层纤维复合材料层；10-第三层纤维复合材料层；11-第四层纤维复合材料层；12-导线一；13-导线二。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的说明，但并不局限于此，凡是对本实用新型技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的精神和范围，均应涵盖在本实用新型的保护范围中。
具体实施方式一：如图1~图7所示；一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其组成包括：反对称双稳态层合板1、两个电池、两条绷带2和多个压电陶瓷片5，所述的两个电池分别是电池一6和电池二7，所述的多个压电陶瓷片5包括多个压电陶瓷片一5-1和多个压电陶瓷片二5-2，所述的反对称双稳态层合板1包括四层纤维复合材料层，所述的四层纤维复合材料层为四层碳纤维复合材料层或者玻璃纤维复合材料层，四层纤维复合材料层由上至下依次定义为第一层纤维复合材料层8、第二层纤维复合材料层9、第三层纤维复合材料层10和第四层纤维复合材料层11，所述的第一层纤维复合材料层8与第二层纤维复合材料层9的纤维铺设方向均相同，所述的第三层纤维复合材料层10与第四层纤维复合材料层11的纤维铺设方向均相同，第一层纤维复合材料层8和第二层纤维复合材料层9的纤维铺设方向与第三层纤维复合材料层10和第四层纤维复合材料层11的纤维铺设方向相垂直（即对称铺层[0n/90n]），第一层纤维复合材料层8的外表面铺设有多个压电陶瓷片一5-1，第四层纤维复合材料层11的外表面铺设有多个压电陶瓷片片二5-2，所述的多个压电陶瓷片一5-1及多个压电陶瓷片片二5-2均与反对称双稳态层合板1共固化成型，所述的多个压电陶瓷片一5-1之间通过导线一12并联，所述的多个压电陶瓷片二5-2之间通过导线二13并联，所述的导线一12与电池一6电连接，所述的导线二13与电池二7电连接，所述的两条绷带2分别与反对称双稳态层合板1长度方向的两端（通过粘接方式）固定连接。绷带2可控制松紧。
具体实施方式二：如图3所示，具体实施方式一所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，所述的第一层纤维复合材料层8与第二层纤维复合材料层9的纤维铺设方向均为90°或者0°，所述的第三层纤维复合材料层10与第四层纤维复合材料层11的纤维铺设方向均为0°或者90°。
具体实施方式三：如图3所示，具体实施方式二所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，所述的多个压电陶瓷片一5-1以阵列形式铺设在第一层纤维复合材料层8的外表面，所述的多个压电陶瓷片片二5-2以阵列形式铺设在第四层纤维复合材料层11的外表面。使得反对称双稳态层合板1具有应变分布均匀的特点，可最大限度的发挥压电陶瓷片的利用效率，实现高效率能量转换。
具体实施方式四：如图4和图5所示，具体实施方式一、二或三所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，所述的反对称双稳态层合板1弯曲时的形状与人体的肘部3/或膝盖4弯曲时的形状相吻合。
工作原理：利用绷带2将反对称双稳态层合板1绑在人体的肘部3和/或膝盖4部位，在人体运动过程中，膝盖4和/或肘部3处的关节运动会带动反对称双稳态层合板1在其两种稳定构型之间来回跳变，反对称双稳态层合板1发生振动，通过铺设在反对称双稳态层合板1的第一层纤维复合材料层8的外表面上的多个压电陶瓷片一5-1以及铺设在第四层纤维复合材料层11的外表面上的多个压电陶瓷片二5-2分别进行能量收集，并将能量存储在相应的电池内，便于手机等便携式电子产品进行充电。
Claims (4)
1.一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其特征在于：其组成包括：反对称双稳态层合板（1）、两个电池、两条绷带（2）和多个压电陶瓷片（5），所述的两个电池分别是电池一（6）和电池二（7），所述的多个压电陶瓷片（5）包括多个压电陶瓷片一（5-1）和多个压电陶瓷片二（5-2），所述的反对称双稳态层合板（1）包括四层纤维复合材料层，所述的四层纤维复合材料层为四层碳纤维复合材料层或者玻璃纤维复合材料层，四层纤维复合材料层由上至下依次定义为第一层纤维复合材料层（8）、第二层纤维复合材料层（9）、第三层纤维复合材料层（10）和第四层纤维复合材料层（11），所述的第一层纤维复合材料层（8）与第二层纤维复合材料层（9）的纤维铺设方向均相同，所述的第三层纤维复合材料层（10）与第四层纤维复合材料层（11）的纤维铺设方向均相同，第一层纤维复合材料层（8）和第二层纤维复合材料层（9）的纤维铺设方向与第三层纤维复合材料层（10）和第四层纤维复合材料层（11）的纤维铺设方向相垂直，第一层纤维复合材料层（8）的外表面铺设有多个压电陶瓷片一（5-1），第四层纤维复合材料层（11）的外表面铺设有多个压电陶瓷片片二（5-2），所述的多个压电陶瓷片一（5-1）及多个压电陶瓷片片二（5-2）均与反对称双稳态层合板（1）共固化成型，所述的多个压电陶瓷片一（5-1）之间通过导线一（12）并联，所述的多个压电陶瓷片二（5-2）之间通过导线二（13）并联，所述的导线一（12）与电池一（6）电连接，所述的导线二（13）与电池二（7）电连接，所述的两条绷带（2）分别与反对称双稳态层合板（1）长度方向的两端固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其特征在于：所述的第一层纤维复合材料层（8）与第二层纤维复合材料层（9）的纤维铺设方向均为90°或者0°，所述的第三层纤维复合材料层（10）与第四层纤维复合材料层（11）的纤维铺设方向均为0°或者90°。
3.根据权利要求2所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其特征在于：所述的多个压电陶瓷片一（5-1）以阵列形式铺设在第一层纤维复合材料层（8）的外表面，所述的多个压电陶瓷片片二（5-2）以阵列形式铺设在第四层纤维复合材料层（11）的外表面。
4.根据权利要求1、2或3所述的一种利用人体关节运动的可穿戴能量收集装置，其特征在于：所述的反对称双稳态层合板（1）弯曲时的形状与人体的肘部3/或膝盖（4）弯曲时的形状相吻合。
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US11508900B2 (en) | 2019-11-26 | 2022-11-22 | The Chinese University Of Hong Kong | Human joint energy harvesting apparatus and wearable electronic device comprising the same |
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2016
- 2016-11-07 CN CN201621197368.2U patent/CN206237334U/zh active Active
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