一种可穿戴人体腰部运动俘能器制造技术

本发明专利技术公开了可穿戴人体腰部运动俘能器，包括外框架，导轨的顶部、底部分别与外框架内的顶壁以及底壁固定相连，单自由度集中质量块套在导轨上，在导轨的左右两侧分别设置有拉伸弹簧，外框架内的顶壁以及底壁各自与两个直角架固定相连，拉伸弹簧的上端与位于顶壁处的直角架固定相连且下端与位于单自由度集中质量块顶部的吊扣固定相连，位于顶壁处的直角架分别与两个压电悬臂梁的上端固定相连且在两个压电悬臂梁的下端固定有水平磁铁，位于底壁处的直角架分别与两个压电悬臂梁的下端固定相连且在两个压电悬臂梁的上端固定有水平磁铁；在单自由度集中质量块左右两侧的外壁上分别固定有一块侧壁磁铁。本发明专利技术结构可以提高人体运动能量的采集效率。运动能量的采集效率。运动能量的采集效率。

【技术实现步骤摘要】
一种可穿戴人体腰部运动俘能器


[0001]本专利技术涉及人体能量俘获器机械结构，尤其涉及一种可穿戴人体腰部运动俘能器。

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。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，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。

技术实现思路

[0003]本专利技术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腰部运动俘能器。
[0004]本专利技术解决上述技术问题采用的技术方案为：
[0005]一种可穿戴人体腰部运动俘能器，包括外框架，一根沿竖直方向设置的导轨的顶部、底部分别与外框架内的顶壁以及底壁固定相连，所述的导轨位于外框架内的中间位置，一个单自由度集中质量块套在导轨上且与导轨能够上下滑动连接，在所述的导轨的左右两侧分别设置有一根向外倾斜设置的拉伸弹簧，两根拉伸弹簧关于所述的导轨的中心轴线对称设置，所述的外框架内的顶壁以及底壁各自与两个直角架的水平板固定相连，每根拉伸弹簧的上端与位于顶壁处同一侧的直角架的竖直板的内壁固定相连且下端与位于单自由度集中质量块顶部的吊扣固定相连，位于顶壁处的每个直角架的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁的上端固定相连且在两个压电悬臂梁的下端固定有一个沿水平方向设置的水平磁铁，位于底壁处的每个一个直角架的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁的下端固定相连且在两个压电悬臂梁的上端固定有一个沿水平方向设置的水平磁铁；每一个压电悬臂梁均沿竖直方向设置，位于左侧的两个水平磁铁上下相对设置，位于右侧的两个水平磁铁上下相对设置，在所述的单自由度集中质量块左右两侧的外壁上分别固定有一块侧壁磁铁；左侧的水平磁铁间隔设置在左侧的侧壁磁铁外侧，右侧的水平磁铁间隔设置在右侧的侧壁磁铁外侧，左侧的外壁磁铁与左侧的水平磁铁相斥，右侧的外壁磁铁与右侧的水平磁铁相斥。
[0006]本专利技术的有益效果是：
[0007]本专利技术结构引入了非对称排列拉簧结构、单自由度集中质量结构和双稳态压电悬臂梁结构，利用非对称排列拉簧结构的几何非线性、压电悬臂梁的结构非线性以及具有非线性特征的电磁力，能够最大限度拓宽人体运动能量采集的频率范围，可以有效适应人体
运动不确定性、随机性，从而达到提高人体运动能量的采集效率的目的。
附图说明
[0008]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。
[0009]图1为本专利技术提供的一种可穿戴腰部俘能器机械结构立体图；
[0010]图2为本专利技术提供的一种可穿戴腰部俘能器机械结构主视图；
[0011]图3为本专利技术提供的一种可穿戴腰部俘能器机械结构侧视图；
[0012]图4为本专利技术提供的一种可穿戴腰部俘能器单自由度集中质量块立体图；
[0013]图5为本专利技术提供的一种可穿戴腰部俘能器穿戴示意图；
[0014]图6是本专利技术装置中的两个拉伸弹簧结构非线性原理示意图。
具体实施方式
[0015]为使本专利技术实施例的目的、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，都属于本专利技术保护的范围。
[0016]如附图所示，本专利技术的一种可穿戴腰部人体上肢俘能器机械结构，包括外框架6，一根沿竖直方向设置的导轨的顶部、底部分别与外框架内的顶壁以及底壁固定相连，所述的导轨位于外框架内的中间位置，一个单自由度集中质量块5套在导轨1上且与导轨能够上下滑动连接，优选的，在设备未受到外激励(人体走动时产生的振动)处于静止状态时，所述单自由度集中质量块位于导轨高度方向上的中间位置。此设置可以使该装置受到外部激励后，压电悬臂梁可以同时以最大振幅进行振动。在所述的导轨的左右两侧分别设置有一根向外倾斜设置的拉伸弹簧3，两根拉伸弹簧关于所述的导轨的中心轴线对称设置，所述的外框架内的顶壁以及底壁各自与两个直角架2的水平板固定相连，每根拉伸弹簧3的上端与位于顶壁处同一侧的直角架2的竖直板的内壁固定相连且下端与位于单自由度集中质量块顶部的吊扣固定相连。位于顶壁处的每个直角架2的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁4的上端固定相连且在两个压电悬臂梁4的下端固定有一个沿水平方向设置的水平磁铁，位于底壁处的每个直角架2的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁4的下端固定相连且在两个压电悬臂梁的上端固定有一个沿水平方向设置的水平磁铁；每一个压电悬臂梁均沿竖直方向设置，位于左侧的两个水平磁铁上下相对设置，位于右侧的两个水平磁铁上下相对设置。
[0017]在所述的单自由度集中质量块左右两侧的外壁上分别固定有一块侧壁磁铁；左侧的水平磁铁间隔设置在左侧的侧壁磁铁外侧，右侧的水平磁铁间隔设置在右侧的侧壁磁铁外侧。左侧的外壁磁铁与左侧的水平磁铁相斥，右侧的外壁磁铁与右侧的水平磁铁相斥。
[0018]优选的，所述的外框架6为一侧侧壁具有敞口的箱式结构，在所述的箱式结构的敞口处安装有可拆卸的门外壳7，门外壳可以与箱式结构的敞口处通过螺纹连接。
[0019]优选的，所述门外壳7为透明塑料材质。
[0020]本专利技术利用拉伸弹簧和单自由度质量块组合的几何非线性系统能够拓宽人体运动能量采集的频率范围。同时，单自由度质量块两侧固定的侧壁磁铁与压电悬臂梁末端的水平磁铁构成双稳态结构，利用正压电效应将机械能转化为电能。
[0021]本装置的工作原理如下：
[0022]本装置通过定制腰带穿戴于人体腰部。人体在行走或跑步等运动过程中身体重心的上下振动为该装置提供谐波信号、冲击信号或随机激励信号。单自由度集中质量块受到激励信号后并在惯性作用下会脱离原平衡位置并向上下移动，此时，斜拉弹簧会同时对单自由度集中质量块两个方向产生拉力，拉弹簧会对单自由度集中质量块形成该移动方向上的非线性回复力。非线性回复力的计算公式为：推导过程如下：
[0023]在竖直方向对单自由度集中质量块进行拉伸，k为拉伸弹簧线性刚度，拉伸后两个斜拉弹簧的长度均被拉伸至y，产生的拉伸量为Δy，拉伸后的弦与初始位置偏距为x，偏角为θ，从而得到斜拉弹簧的弹性恢复力与拉伸量间的关系为：
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴人体腰部运动俘能器，包括外框架(6)，其特征在于：一根沿竖直方向设置的导轨的顶部、底部分别与外框架内的顶壁以及底壁固定相连，所述的导轨位于外框架内的中间位置，一个单自由度集中质量块(5)套在导轨(1)上且与导轨能够上下滑动连接，在所述的导轨的左右两侧分别设置有一根向外倾斜设置的拉伸弹簧(3)，两根拉伸弹簧关于所述的导轨的中心轴线对称设置，所述的外框架内的顶壁以及底壁各自与两个直角架(2)的水平板固定相连，每根拉伸弹簧的上端与位于顶壁处同一侧的直角架的竖直板的内壁固定相连且下端与位于单自由度集中质量块顶部的吊扣固定相连，位于顶壁处的每个直角架的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁(4)的上端固定相连且在两个压电悬臂梁的下端固定有一个沿水平方向设置的水平磁铁，位于底壁处的每个直角架的竖直板的外壁分别与前后间隔设置的两个压电悬臂梁的下端固定相连且在两...

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