向 宇,王亚平,王永敢,步春辰

(南京理工大学 机械工程学院,江苏 南京 210094)

近年来可穿戴设备迅速发展,广泛应用于日常生活、科研或军事活动中[1]。但是电池存储能量的限制,严重制约了穿戴设备的使用和推广。为了解决穿戴式设备的能源问题,人们提出了从环境中获取能量的解决途径。

自20世纪90年代以来,从人体运动中获取能量的想法逐渐成为研究热点,特别是收集人体背负背包行走过程中产生的能量。Rome等[2]开发了悬挂式的负重背包,将人体运动的机械能转化成电能,为移动设备充电。袁志高等[3]利用弹簧质量振动系统带动齿轮齿条运动,驱动与齿轮连接的发电机产生电能。王俊龙[4]设计了一个通过调整腰间固定机构改变绳长,适应不同人群的无框架单向轴发电背包,在1.11 m/s人体行走速度下背负1.5 kg大约能获得0.3 W的能量。陈秋兴等[5]利用配有单向轴的齿轮将齿条的上下运动变成了单向运动,提高了收集能量的效率。但是上述研究仍存在参数不可调的缺点,无法适应在不同步态条件下的运动,背包发电功率不高;另外其偏重于提高发电效率,忽略了行走过程中背包对人体的冲击影响,特别是在背负载荷较重的情况下,普遍存在提高发电效率的同时人体所受冲击明显增加的问题。曹自平等[6]设计了一个通过调节线圈与永磁体的间距,自适应调节载荷板振动阻尼的发电背包,靠弹簧和线圈产生的阻尼力在一定程度下实现悬浮减重。……