人体关节发电机的设计

论文总字数：21256字

目 录

1绪论 1

1.1研究目的及意义 1

1.2研究现状 1

1.2.1能量采集技术 1

1.2.2人体动能采集 2

1.3小结 5

2人体关节发电装置结构设计 5

2.1人体动能 5

2.2 人体关节发电装置的设计方案 7

2.2.1 总体设计方案 7

2.2.2 发电机 8

2.2.3单向机构 9

2.2.4管理电路 12

2.2.5 其他结构 15

3人体关节发电装置加工组装及测试 16

3.1装置加工组装 16

3.2实验分析 18

3.2.1 管理电路测试 18

3.2.2人体发电测试 24

3.3应用测试 31

4 总结 32

参考文献 33

致谢 34

1绪论

1.1研究目的及意义

近年来，随着科学的发展，技术的革新，便携式可穿戴设备慢慢走进人们的生活，并成为时代主流。但这些产品从日常使用的电子设备到小型医疗设备，大多使用电池供电，电池续航就成为了棘手问题。因此此类设备失去了设计之初的便捷性，故我们需要一种可持续供电的设备。

况且当前运动健康环保已经成为时代的主流，其中行走更是人们所倡导的绿色健康的运动出行方式，但是在行走中所产生的可观的能量却常常被人们所忽视。因此从人体运动中获取能量是便携式或可穿戴设备供电的一个很有吸引力的解决方案，既能解决设备供电问题，又符合当下节能环保的时代主题。且从理论上说，将人体运动转化为电能的能量收集装置与电池相比具有无限的寿命，又能不间断的供电，在医疗领域、日常消费设备领域或将取代可充电型化学电池^[1]成为电源发展的主流。因此在不影响人们正常行走的情况下，采用合理的能量采集装置，再配和高效的具有整流、滤波、稳压、升压等功能的管理电路，是具有可行性的方案。

本设计将人行走时的关节运动产生能量转化为电能，其能量收集装置具有结构原理简单，成本低，体积小，重量轻，便于携带，普及可行性比较高等优点，且符合绿色环保、可持续发展的理念，对未来发展电子设备不间断性供电等问题具有重要的意义。

1.2研究现状

1.2.1能量采集技术

随着科学技术的发展，越来越多的人陷入了能源危机，所以人们开始重视对于各种能量的利用开发。在长期的发展中主流的能量采集技术主要针对于对振动能、太阳能、热能、流体动能、人体动能等的采集并将之转化为电能输出，这些技术被广泛的应用于为便携设备供电、植入式人体医疗监测、有源射频传感器以及各种识别技术等方面。

近年来环境中分布的多种多样的能量受到了国内外科学工作者的广泛关注，也取得了相当丰硕的成果。其中太阳能作为最常见的能量源，其能量采集技术被人们广泛使用，从家庭用的太阳能热水器，到太阳能电池板无在不利用太阳能。该能量采集技术转化效率高，环保无污染，但他受天气和环境的影响过大，并不能稳定的提供能量。

同样水资源等众多流体会产生大量的能量，对于流体动能的利用也是屡见不鲜，如我国著名的三峡大坝，每年的发电量可以供周围数个城市使用。且针对于流体动能的采集国内外学者开发出许多新颖的装置，P·吉纳尔^[2]提出了一种由压缩装置和驱动泵构成的电磁式流体能量采集装置。

振动能量因其相对于自然存在的热能与光能等具有更高的能量密度，且广泛存在于日常生活中，外界因素对其影响较小，如天气原因和器件封装限制等因素，比其他自然能量更具优势。 Zhu等^[3]设计了一种新型更为高效的Halbach结构的阵列，该结构将磁场集中到阵列的一面，可以进一步提高传统电磁式能量采集器的能量回收功率。与传统的Halbach结构相比，改进后的基于Halbach结构的电磁式能量采集系统最大功率可以提高约7倍（如图1-1）。

图1-1 基于Halbach阵列的能量采集器

1.2.2人体动能采集

在过去的几十年里，因为人体动能的广泛分布性、易获得性，人们对将人体运动能转化为电能来提供可穿戴或植入设备的电力和身体传感器系统的兴趣越来越大。以人类为基础的能源采集器开始走进人们的视线。现在采用的人体动能收集技术根据原理的不同主要包括压电式、电磁式、静电式、摩擦起电等^[4]。其中以电磁式和压电式最为常见。

压电式能量采集技术的工作是利用压电材料将环境中的振动能转化为电能。压电材料属于智能材料的一种，价格低、效率高，是现在采集环境中的振动能量的主要材料，具有压电效应可以实现机械能和电能的相互转化，利用其可以有效的将环境中的振动能转化为电能。且压电式采集系统结构较为简单、耦合系数高^[5,6]。多见于关节弯曲产生的能量收集和脚底踩压能量的收集。

（1）关节处压电片式能量采集器

Yang Kuang 和 Meiling Zhu2016年在《science》上面提出了一种膝关节发电机，该发电机用拨子嵌入外圈固定在大腿，和轮毂内的压电双晶片安装固定在柄。行走时，大腿和小腿在膝关节周围旋转，使内毂和外圈相对转动。因此，压电双晶片首先偏转的拨子然后释放自由振动。用此机制，对膝关节运动的低频旋转转换为谐振（高频）的压电双晶片，从而实现大功率发电。原型是安装在步进电机，作为膝关节模拟和再现膝关节运动在此研究中^[7,8]。该装置原理图见图1-2。

图1-2 压电片式关节能量采集器

（2）鞋底能量采集装置

由郑飞^[9]提出了一种应用于采集人体运动能量的鞋底微小能量采集器，该装置主要由支撑体，振动结构和电磁线圈结构三部分构成；支撑体固定于鞋底中，支撑体的内部为空腔，支撑体的竖直侧面上固定有振动结构，振动结构主要由S型压电梁，悬浮快和永磁体构成。该装置构造图见图1-3。

在人体运动时S型压电梁可以随着人的运动而发生振动，并可以通过降低自身梁结构的谐振频率，使能量采集器处于人体运动的频率带范围内。同时引起由PVDF薄膜组成的PVDF电压层发生应变，根据压电效应，采集人体鞋子振动过程中的能量。将机械能转换为电能，通过Pt上下电极输出采集的能量。

图1-3 鞋底能量采集装置构造图

（3）磁电式关节发电器

电磁式能量采集技术是利用法拉第电磁感应^[7]定律将自然界中大量存在的机械振动能量转化为电能的能量采集技术。这种能量采集装置由永磁铁、线圈和振动结构构成。相较于其它形式的能量采集技术，这种能量采集技术体积较大、输出电压往往不能满足日常用电器，但其具有较大的输出功率，能很好的适用于低频环境振动能量采集。因此受到研究人员的青睐。

J.M. Donelan^[10]等08年在《science》上面提出了一种膝关节发电机如图1-4，该装置由输入摆臂、单向轴承、增速齿轮组与发电机构成，该结构利用单向轴承作为单向结构，更利于装置的简化，提高装置整体的稳定性，但其各部件多为成品。

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