[发明专利]人体关节能量回收装置及包括其的可穿戴电子设备

说明书

本申请提供了一种人体关节能量回收装置，用于捕获关节的运动生物能，从而产生电能。所产生的电能可为可穿戴电子装置提供实时电能供应。该装置采用直线滑轨机构并与佩戴者的第一肢体、第二肢体配合以组成曲柄滑块机构，将关节的转动运动转化为直线滑轨机构的直线运动。弯曲梁结构将直线滑轨机构的直线运动转化为弯曲运动。压电薄膜可粘附于弯曲梁上下表面。在行走过程中，弯曲梁发生弯曲变形，导致压电薄膜被拉伸或压缩，从而生成电能。此外，为提高能量回收效率，可使弯曲梁的完全受迫运动改为部分受迫运动加上部分自由震荡运动。同时，在弯曲梁上增加质量块，可调节自由震荡，从而进一步提高能量回收。本申请还提供了一种配备有该人体关节能量回收装置的可穿戴电子设备和一种人体关节能量回收方法。

技术领域

本申请涉及一种人体关节能量回收装置，具体地，涉及一种基于压电材料的人体关节能量回收装置。本申请还涉及一种配备有该人体关节能量回收装置的可穿戴设备。

背景技术

随着电子通讯技术的快速发展和人类生活水平的不断提高，在日常生活中出现了大量的便携式可穿戴移动电子设备，如智能手机、智能手表、智能手环、血压监测仪等。这些可穿戴设备能够进行无线连接和通信，并且可用于人类生活的诸多方面，从而可改善生活品质，使人类的生活更加便捷。然而电池的有限续航时间限制了该类设备的广泛运用。此外，移动电子设备的频繁充电也大大降低了消费者的使用体验。

为解决上述问题，近年来研究者提出了自供能可穿戴电子设备，即利用能量回收技术，使可穿戴电子设备能够从周围环境或佩戴者实时获得能量源。人体活动可产生大量的运动生物能、热能、化学能、静电能等。例如，人体自由行走时，膝关节和髋关节的瞬时最大功率可达到70瓦左右，而踝关节的最高瞬时功率可达300瓦左右。这种人体生物能可通过能量转换装置转换为电能，从而有助于解决目前便携式电子设备的续航时间限制问题。此外，自供能可穿戴电子设备可降低电池的使用，从而缓解废旧电池污染环境的问题。

与人体踝关节和髋关节相比，膝关节具有更大的运动幅度。此外，膝关节的运动主要发生在矢状面，有助于能量回收装置更容易地捕获膝关节的运动。基于上述优点，目前许多研究者致力于人体膝关节能量回收的研究。例如，在现有的一篇专利申请提出了使用电磁回收装置从人的膝盖的运动中捕获生物力学能量。在行走过程中，膝关节的运动可驱动发电单元转动，从而回收由膝关节的运动产生的能量。为了提高能量回收效率，使用具有大传动比的齿轮链来提高电磁发电机的速度，从而增加感应电动势。然而，由于使用齿轮箱，导致这种能量回收装置的体积显著增大、结构笨重。用户佩戴和卸下该设备很不方便。此外，这种装置与佩戴者之间有较大的相互作用力，从而明显增加佩戴者的行走负担，降低佩戴者的佩戴体验。以上缺陷阻碍了基于电磁技术的能量回收的进一步发展和广泛运用。

发明内容

本公开提出了一种基于压电智能材料的人体关节能量回收装置。

在本申请的一个实施方式中提出的装置能够捕获关节(例如，膝关节、肘关节、踝关节等)的大幅度运动，并通过柔性压电材料将运动生物机械能转换为电能，从而为微功率便携式可穿戴电子产品提供实时能量供应。

根据本申请的一个方面，提供了一种人体关节能量回收装置。该装置可包括：第一固定绑带，附接在佩戴者的与关节连接的第一肢体上；第二固定绑带，附接在佩戴者的与关节连接的第二肢体上；运动转换单元，设置在第一固定绑带与第二固定绑带之间，用于将关节的转动运动转换为直线运动；弯曲梁，与运动转换单元连接，其中运动转换单元的直线运动转换为弯曲梁的弯曲运动；以及能量转换单元，安装在弯曲梁的上表面和/或下表面。能量转换单元可响应于所述弯曲运动而发生变形，并且将所述变形转换成电能。

根据本申请的示例性实施方式，运动转换单元可包括滑轨机构，滑轨机构包括直线导轨和滑块。其中，直线导轨与第一固定绑带铰接，以及滑块与第二固定绑带铰接。滑轨机构可与第一肢体、第二肢体协作以作为曲柄滑块机构操作，并可将关节的转动运动转换为滑块在直线导轨上的直线滑动。弯曲梁的一端与滑块铰接，另一端与直线导轨铰接。