本实用新型专利技术属于发电技术领域，具体涉及一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置。包括由两个框架连接板，以及位于两端的连接两个框架连接板的安装块组成的框架；安装块外侧均设有定磁铁，两个安装块的上或下侧设有压电悬臂梁，两个压电悬臂梁的末端均设有定磁铁，四个定磁铁十字型分布耦合成定磁场；还包括与安装块两端均过盈配合、且设置在框架内的套管，套管内部中间悬浮且与安装块两端的定磁铁同极相斥设置的动磁铁，套管外套设线圈。本实用新型专利技术俘能器可以应用于多个方向的能量收集，有更宽的工作频带、更强的适应性，对于收集人体运动能有更好的性能。更好的性能。更好的性能。
【技术实现步骤摘要】
一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置
[0001]本技术属于发电
，具体涉及一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置。
技术介绍
[0002]供能装置是支撑外骨骼运作的核心，目前有源外骨骼装置主要依靠外部电源实现增强人体能力、适应复杂环境、通信侦察等功能，但是这种供能方式存在电源不易携带、电池容量有限、能量利用率较低等一系列问题。因此，提高能量利用率是提高外骨骼续航能力的探究方向之一。俘能技术是指将环境中的机械能转换成电能再利用的一类技术。俘能器是一种利用俘能技术回收能量的装置。大多数俘能器具有易于微型化的特点，适合安装于外骨骼系统中，为系统中的小型电子器件供电。俘能器根据能源回收方式不同可以分为电磁式、静电式、压电式和复合型等种类。其中电磁式俘能器输出电压较小，电磁式俘能器输出电流较大但难以实现微型化；压电式俘能器结构简单，转化效率高但总输出功率较低。而复合式俘能器由于复合类型不同有着更广泛的应用空间。
[0003]现有的压电式和电磁式俘能器虽然通过引入非线性结构、采用多自由度结构等方法扩大了俘能器的工作频带，但是俘能器的工作频率还是较高，不适用于收集振动频率小于10Hz的低频人体运动能；国内外对于收集人体能的俘能器的研究虽然已经取得了一定的进展和研究成果，验证了从人体运动中获取能量的可行性，但是只能收集单方向的振动能量，对于人体运动产生的多方向振动能量的利用率较低。
技术实现思路
[0004]本技术的目的在于提供一种收集低频率的人体运动能的压电电磁混合式外骨骼俘能装置，该俘能器可以应用于多个方向的能量收集，有更宽的工作频带、更强的适应性，对于收集人体运动能有更好的性能。
[0005]实现本技术目的的技术解决方案为：一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，包括由两个框架连接板，以及位于两端的连接两个框架连接板的安装块组成的框架；安装块外侧均设有定磁铁，两个安装块的上或下侧设有压电悬臂梁，两个压电悬臂梁的末端均设有定磁铁，四个定磁铁十字型分布耦合成定磁场；
[0006]还包括与安装块两端均过盈配合、且设置在框架内的套管，套管内部中间悬浮且与安装块两端的定磁铁同极相斥设置的动磁铁，套管外套设线圈。
[0007]进一步的，两个框架连接板和安装块之间通过螺栓连接。
[0008]进一步的，两个压电悬臂梁的结构相同，压电悬臂梁由压电片和作为铜质基底的长条形铜片粘合而成，压电悬臂梁一端通过螺栓、垫块设置在安装块的上或下表面，定磁铁通过其下方的圆柱形铜片设置在压电悬臂梁的末端。
[0009]进一步的，压电陶瓷片与基底铜片厚度比在0.5
‑
0.7。
[0010]进一步的，两个压电悬臂梁末端的定磁铁的初始间距满足两个磁铁相互吸引时压电悬臂梁的弹性回复力与磁铁间的引力相等，使得压电悬臂梁可以摆脱磁力振动，动磁铁
可继续往复运动。
[0011]进一步的，装配于外骨骼中。
[0012]进一步的，装配于外骨骼膝关节中。
[0013]进一步的，还包括整流电路，两个压电悬臂梁后端通过导线接入整流电路，线圈接入整流电路，通过整流电路对电能进行存储或为外骨骼供电。
[0014]进一步的，整流电路包括全波全桥子电路、调压子电路和缓冲子电路；
[0015]全波全桥子电路用于实现交、直流的变化，全波全桥子电路包括四个与俘能装置直接相接的整流二极管；
[0016]调压子电路与负载直接相连，通过控制开关器件的开关时刻，周期性地提取压电陶瓷内部等效电容上的能量；
[0017]缓冲子电路位于全波全桥子电路和调压子电路之间，主要由电容与二极管构成，通过控制电容的充放电实现对能量的缓冲积蓄。
[0018]进一步的，全波全桥子电路包括：四个整流二极管两两串联后并联；
[0019]调压子电路包括滤波电容，电感，二极管与控制开关；电感与滤波电容与负载并联，电感与滤波电容间联接二极管，控制开关联接调压子电路与上级电路：
[0020]缓冲子电路包括三个二极管与两个电容以及限流电阻；一个二极管与一个电容的串联组合并联另一组电容与二极管的串联组合；两组之间接入串联的二极管与限流电阻。
[0021]通过压电与电磁混合俘能的方式分别回收来自膝关节的两个方向能量，通过电磁与压电耦合的方式减少俘能器质量。通过增设质量快的方式降低压电悬臂梁的振动频率以此适应人体运动获得最佳的工作频带。通过对俘能器结构参数的优化以提高俘能器的赋能效率，改进俘能器的整理电路获得更高的输出功率。电路输出与俘能器输入时间分离以避免外带负载对俘能器效率的影响。
[0022]本技术与现有技术相比，其显著优点在于：
[0023]1、本技术公开的一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，在压电片弹簧阻尼质量模型的基础上，在压电悬臂梁上分别放置两块磁铁，当套管中的圆柱形磁铁运动时，与压电悬臂梁末端的磁铁通过磁力作用耦合，使压电悬臂梁产生形变，从而使压电悬臂梁产生电能。通过中心磁铁与压电悬臂梁末端磁铁间的磁力作用,将中心磁铁低频率的激励转换为压电悬臂梁的高频率振动，以适应人体膝部低频的运动，提高俘能效率。同时采用磁铁对部分质量块的替换，减少了质量并提高了能量密度。
[0024]2、本技术公开的一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，在行走中竖直方向与前进方向均有能量回收。压电部分主要俘获竖直方向的能量，电磁部分主要俘获人体前进方向的能量。
[0025]3、本技术公开的一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，其能与整流电路相连接，将交流电输出为直流电，能够符合外骨骼中大部分电子元件的供电要求。
[0026]4、与常规电池相比，本技术公开的一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，通过压电效应与电磁感应原理俘获人体行走过程中膝关节的负功，为外骨骼中微电子装置供电，因此具有无污染，无需更换，能量密度大，可靠性高，质量轻的优点。
[0027]5、本技术公开的一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，所设计的俘能方案不仅限于膝关节，对于其他具有俘能价值的部位如脚踝、手腕也具有适用性，随部位变动需要
进一步调整俘能器结构参数。
附图说明
[0028]图1为压电电磁混合式外骨骼俘能器内部结构示意图。
[0029]图2为压电电磁混合式外骨骼俘能器整体示意图。
[0030]图3为压电电磁混合式外骨骼俘能器的整流电路图。
[0031]附图标记说明：
[0032]1‑
框架，2
‑
套管，3
‑
M3螺母，4
‑
M3螺栓，5
‑
垫圈，6
‑
定磁铁Ⅰ，7
‑
定磁铁Ⅱ，8
‑
定磁铁Ⅲ，9
‑
定磁铁Ⅳ，10
‑
圆柱形铜片Ⅰ，11
‑
圆柱形铜片Ⅱ，12
‑
压电片Ⅰ，13
‑
压电片Ⅱ，14
...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种压电电磁混合式外骨骼俘能装置，其特征在于，包括由两个框架连接板，以及位于两端的连接两个框架连接板的安装块组成的框架；安装块外侧均设有定磁铁，两个安装块的上或下侧设有压电悬臂梁，两个压电悬臂梁的末端均设有定磁铁，四个定磁铁十字型分布耦合成定磁场；还包括与安装块两端均过盈配合、且设置在框架内的套管，套管内部中间悬浮且与安装块两端的定磁铁同极相斥设置的动磁铁，套管外套设线圈。2.根据权利要求1所述的外骨骼俘能装置，其特征在于，两个框架连接板和安装块之间通过螺栓连接。3.根据权利要求2所述的外骨骼俘能装置，其特征在于，两个压电悬臂梁的结构相同，压电悬臂梁由压电片和作为铜质基底的长条形铜片粘合而成，压电悬臂梁一端通过螺栓、垫块设置在安装块的上或下表面，定磁铁通过其下方的圆柱形铜片设置在压电悬臂梁的末端。4.根据权利要求3所述的外骨骼俘能装置，其特征在于，压电陶瓷片与基底铜片厚度比在0.5
‑
0.7。5.根据权利要求4所述的外骨骼俘能装置，其特征在于，两个压电悬臂梁末端的定磁铁的初始间距满足两个磁铁相互吸引时压电悬臂梁的弹性回复力与磁铁间的引力相等，使得压电悬臂梁可以摆脱磁力振动，动磁铁可继续往复运动。6.根据权利要求5所述的外骨骼俘能装置...
【专利技术属性】
技术研发人员：付远晴，王晓龙，陈同舒，管小荣，
申请(专利权)人：南京理工大学，
类型：新型
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。