可穿戴人体下肢运动俘能器制造技术

本发明专利技术公开了一种可穿戴人体下肢运动俘能器，包括安装在膝关节处的安装盘，安装盘上设有永磁体和发电线圈，永磁体可相对于发电线圈沿垂直于地面方向移动；腿部运动产生的振动激励，使永磁体相对发电线圈移动，发电线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能。本发明专利技术所述的可穿戴人体下肢运动俘能器，应用在腿部，采集腿部的振动能量，通过永磁体改变发电线圈周围的磁通量，利用法拉第电磁感应定律实现发电；而且设置压电悬臂梁，在腿部摆动过程中，压电悬臂梁末端磁铁所受磁斥力变化，引起压电悬臂梁振动，利用正压电效应实现发电。利用正压电效应实现发电。利用正压电效应实现发电。

【技术实现步骤摘要】
可穿戴人体下肢运动俘能器


[0001]本专利技术属于人体运动俘能器领域，尤其涉及一种可穿戴人体下肢运动俘能器。

技术介绍

[0002]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。
[0003]现有技术中，利用俘能技术的俘能器主要包括基于压电效应的压电式俘能器、基于电磁感应定律的电磁式俘能器以及基于电容原理的静电式俘能器。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。为此，人体运动俘能器往往采用压电式和电磁式混合的俘能方式，扩大振动频率和输出能量。
[0004]但是现有的人体运动俘能器往往利用人体的摆动，将人体的摆动的动能转化为电能。因此需要将人体运动俘能器安装在人体末端，如手腕、脚腕等，这不利于人体运动俘能器的穿戴。而且因为手腕和脚腕，本身就是人体运动主要活动点，在人体末端虽然可以获得较大的能量，但会影响人体的灵活性，带来穿戴的不适。而如果将人体运动俘能器设置在人体的其他位置，则会导致摆动产生的能量进一步降低，更加能量俘获中难以达到理想的效果。

技术实现思路

[0005]本专利技术提供一种可穿戴人体下肢运动俘能器，以解决
技术介绍
中提及的俘能器难以俘获能量、穿戴影响人体活动的技术问题。
[0006]为实现上述目的，本专利技术的可穿戴人体下肢运动俘能器的具体技术方案如下：
[0007]一种可穿戴人体下肢运动俘能器，包括安装在膝关节处的安装盘，安装盘上设有永磁体和发电线圈，永磁体可相对于发电线圈沿垂直于地面方向移动；腿部运动产生的振动激励，使永磁体相对发电线圈移动，发电线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能。
[0008]进一步的，安装盘上侧滑移连接有质量块，发电线圈和永磁体分别安装在安装盘和质量块上。
[0009]进一步的，质量块水平方向的两侧设置有对称设置的线性弹性件，以通过线性弹性件的几何非线性使质量块沿垂直于地面的方向做简谐运动。
[0010]进一步的，线性弹性件为斜拉弹簧，斜拉弹簧一端固定在安装盘的外框上，另一端固定在质量块上。
[0011]进一步的，质量块两侧面上设有第一活动磁铁和第二活动磁铁，安装盘的外框上设有第一固定磁铁和第二固定磁铁；第一固定磁铁和第一活动磁铁相对设置且同名磁极相邻设置，第二固定磁铁和第二活动磁铁相对设置且同名磁极相邻设置。
[0012]进一步的，安装盘上设有磁铁座和压电悬臂梁，压电悬臂梁靠近磁铁座一端的自由端上设有感应磁体；磁铁座表面沿周向交替设置有磁力部和无磁部，磁力部通过感应磁体将磁力作用于压电悬臂梁；随腿部以膝关节为轴摆动，压电悬臂梁绕磁铁座相对转动，自由端依次经过磁力部和无磁部，通过正压电效应将腿部运动时以膝关节为轴的摆动的机械能转化为电能。
[0013]进一步的，磁铁座表面沿周向开有嵌槽，嵌槽内嵌设有作为磁力部的磁石，相邻的嵌槽之间形成有无磁部。
[0014]进一步的，安装盘设有可相对转动的底座，磁铁座和压电悬臂梁分别安装在底座和安装盘上。
[0015]进一步的，底座边缘形成有横梁，横梁在末端上设有第一绑带，第一绑带捆绑在小腿上，从而使底座随小腿摆动；安装盘的外框上固定有连接梁，连接梁末端设有第二绑带，第二绑带捆绑在大腿上，使安装盘固定在膝盖侧面。
[0016]进一步的，底座设置在安装盘靠近腿部的一侧，使底座与腿部贴合。
[0017]本专利技术的可穿戴人体下肢运动俘能器具有以下优点：
[0018]1、本专利技术的俘能器应用在腿部，采集腿部的振动能量，通过永磁体改变发电线圈周围的磁通量，利用法拉第电磁感应定律实现发电；而且由于永磁体的运动方向固定为竖直方向，可以更直接地接受人体运动时腿部和地面的振动激励，保证振动能量的采集；
[0019]2、利用对称排列线性弹性件，辅以电磁斥力的电磁弹簧，利用对称排列的线性弹性件的几何非线性以及具有非线性特性的磁力组成单自由度非线性系统，从而提高质量块振动的频率，并使质量块呈周期性变化，拓宽腿部运动时垂直于地面的振动能量采集的频率范围；
[0020]3、斜拉弹簧本身为线性刚度元件，其优势在于质量轻便、成本低廉、安装便利、寿命长；与现有的具有非线性力学性能的弹簧装置相比，选择斜拉弹簧对称放置可以在最小的竖直空间内实现快速响应的非线性回复力，由此可以实现对人体正常运动产生最小的影响；在成本上与现有的新材料非线性弹簧相比，同样具有较大优势；
[0021]4、利用旋转式压电悬臂梁结构，通过正压电效应将腿部运动时以膝关节为轴的摆动的机械能转化为电能，达到提高能量收集效率的增益效果；而且外圈旋转阵列式排布方式，在结构上适应人体腿部在运动中大腿和小腿相对转动时会产生机械能，减少对人体腿部运动的影响。
[0022]5、通过绑带将底座和外框固定在人体大腿底部和小腿上部，以此将此装置固定在膝盖关节处；当人体运动时，大腿和小腿会发生以膝盖关节处为轴心的摆动，可以使大腿和小腿带动该装置进行底座和安装盘的相对转动。
附图说明
[0023]为了更清楚地说明本专利技术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专利技术的一些实施方式，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。
[0024]图1为本专利技术的可穿戴人体下肢运动俘能器使用示意图；
[0025]图2为本专利技术的可穿戴人体下肢运动俘能器安装状态示意图；
[0026]图3为本专利技术的电磁式俘能机构结构示意图；
[0027]图4为本专利技术的质量块结构示意图；
[0028]图5为本专利技术的电磁式俘能机构结构示意图；
[0029]图6为本专利技术的电磁式俘能机构爆炸图；
[0030]图7为本专利技术的电磁座结构示意图；
[0031]图8为本专利技术的横梁和连接梁结构示意图。
[0032]图中标记说明：
[0033]1、安装盘；11、发电线圈；12、转轴；2、外框；21、导轨；22、第二挂耳；23、第一固定磁铁；24、第二固定磁铁；25、L型架；26、压电悬臂梁；261、感应磁体；27、连接梁；3、质量块；31、永磁体；311、第一挂耳；312、第一活动磁铁；313、第二活动磁铁；4、斜拉弹簧；5、底座；51、磁铁座；511、磁力部；512、无磁部；52、横梁；6、轴承；7、第一绑带；8、第二绑带。
具体实施方式
[0034]下面将结合附图对本专利技术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专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴人体下肢运动俘能器，其特征在于，包括安装在膝关节处的安装盘，安装盘上设有永磁体和发电线圈，永磁体可相对于发电线圈沿垂直于地面方向移动；腿部运动产生的振动激励，使永磁体相对发电线圈移动，发电线圈切割永磁体产生的磁感线，从而产生电能。2.根据权利要求1所述的可穿戴人体下肢运动俘能器，其特征在于，安装盘上侧滑移连接有质量块，发电线圈和永磁体分别安装在安装盘和质量块上。3.根据权利要求2所述的可穿戴人体下肢运动俘能器，其特征在于，质量块水平方向的两侧设置有对称设置的线性弹性件，以通过线性弹性件的几何非线性使质量块沿垂直于地面的方向做简谐运动。4.根据权利要求3所述的可穿戴人体下肢运动俘能器，其特征在于，线性弹性件为斜拉弹簧，斜拉弹簧一端固定在安装盘的外框上，另一端固定在质量块上。5.根据权利要求2或3所述的可穿戴人体下肢运动俘能器，其特征在于，质量块两侧面上设有第一活动磁铁和第二活动磁铁，安装盘的外框上设有第一固定磁铁和第二固定磁铁；第一固定磁铁和第一活动磁铁相对设置且同名磁极相邻设置，第二固定磁铁和第二活动磁铁相对设置且同名磁极相邻设置。6.根据权利要求1所述的可穿戴人体...

【专利技术属性】
技术研发人员：姚明辉，牛燕，王昭淇，吴启亮，陈建恩，
申请(专利权)人：天津工业大学，
类型：发明
国别省市：