基于人體動能收集的供電背包設(shè)計*

王俊龍

(1.中國科學(xué)院 上海微系統(tǒng)與信息技術(shù)研究所，上海 200050；2.上?？萍即髮W(xué) 信息科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，上海 201210；3.中國科學(xué)院大學(xué)，北京 100049)

0 引 言

近年來，隨著戶外運動的興起，各種各樣的戶外運動電子設(shè)備也在不斷的涌現(xiàn)。目前，大部分戶外運動電子設(shè)備用化學(xué)電池供電，但化學(xué)電池容量有限、壽命短、更換頻繁。因此，有必要研究并尋找一些新的電源[1]。

眾所周知，人體具有充沛的能量，通過機(jī)械裝置可以將這些能量轉(zhuǎn)變?yōu)殡娔艽鎯ζ饋?。但現(xiàn)在日常見到的戶外人體發(fā)電裝置如手搖電筒，有很多的缺陷，使用者要專注于發(fā)電，且發(fā)電過程不連續(xù)。戶外運動能量收集設(shè)備需要能夠在較長時間內(nèi)都持續(xù)發(fā)電，并最好在日常行走中實現(xiàn)[2]。但是，從行走中獲得電能也不容易，目前國外研究主要集中在兩個方面：

(1)利用外力直接驅(qū)動發(fā)電的能量收集裝置。如壓電鞋利用人體行走時腳與鞋底壓電片之間的撞擊收集能量，可產(chǎn)生200 UW～800 UW的能量[3]；膝關(guān)節(jié)俘能裝置，利用人體行走時小腿和大腿之間的相對轉(zhuǎn)動的位移收集能量，可收集4.8 W左右的能量，但是會對人體行走的姿態(tài)產(chǎn)生影響，并且裝置較重[4]；下肢驅(qū)動發(fā)電背包，利用人體行走時腿部前后晃動的位移差收集能量，能產(chǎn)生5 W左右的能量，該方式也會阻礙人體的運動[5]；

(2)基于慣性的能量收集裝置。如ROME L等人[6]提出的懸掛負(fù)載背包，收集人體行走中背包與背包外框加之間的相對垂直振動所產(chǎn)生能量，可發(fā)出7.4 W的電功率,但是該背包需要額外的機(jī)械框架，重達(dá)38 kg的負(fù)載和較快的行走速度會影響人體的運動姿態(tài)，并且人是不可能長時間背負(fù)如此重的背包的；華南理工謝等人[7]在ROME L的背包基礎(chǔ)上，對背包結(jié)構(gòu)進(jìn)行了優(yōu)化，通過調(diào)整彈簧系數(shù)，可進(jìn)行背包控制，在5.5 km/h的速度下大約可獲得8 W左右的能量，但依然有重負(fù)載、框架等缺點；王中林等人[8]提出了摩擦發(fā)電能量收集背包，相比之前的ROME L和謝等人的電磁式能量收集方式，結(jié)構(gòu)有所簡化，但需要一定重負(fù)載和框架，在2 kg的負(fù)載下，獲取的能量大約可供40個led燈。

以上裝置中，背包是戶外運動的必需品，但以上提到的幾種發(fā)電背包，一種通過拉繩將腳與背包相連，容易與周圍物體如樹枝產(chǎn)生纏繞、碰撞，發(fā)電裝置對人體運動的步長也有影響；另一種懸掛負(fù)載背包，都增加了框架，并且只有在重達(dá)負(fù)載的情況下，才有收集到較多能量，對人體的運動姿態(tài)有影響[9-10]。

本文設(shè)計一種無外框架、無需重負(fù)載、對人體行走姿態(tài)影響較小、裝置簡潔、體積小、質(zhì)量輕的利用背包與后背之間的相對晃動位移來收集能量的發(fā)電背包。

1 裝置設(shè)計

1.1 發(fā)電機(jī)構(gòu)

發(fā)電背包的三維設(shè)計模型如圖1所示。

圖1 發(fā)電背包三維設(shè)計模型

該背包由4個部分組成：位移輸入系統(tǒng)、加速齒輪組、拉繩恢復(fù)系統(tǒng)和發(fā)電機(jī)。

位移輸入系統(tǒng)由鋼絲拉繩、彈簧盒和腰帶固定機(jī)構(gòu)組成，通過拉繩將背包上下和左右的晃動相對位移，轉(zhuǎn)變?yōu)閺椈珊械男D(zhuǎn)運動。腰帶固定機(jī)構(gòu)可以調(diào)整腰帶與背包之間拉繩的長短，以適應(yīng)不同人群的需求?？紤]到背包與人體之間的晃動位移大約在30 mm～60 mm,腰帶與背包之間的拉繩最多只能拉動彈簧盒轉(zhuǎn)動一圈，彈簧盒的直徑設(shè)計為60 mm這樣可以保證，在30 mm～60 mm的晃動范圍內(nèi)彈簧盒的旋轉(zhuǎn)不會超過一圈。

加速齒輪組直接選用與電機(jī)匹配的現(xiàn)有齒輪箱，比速為68∶1，既可以保證加速齒輪組機(jī)械效率，又可以進(jìn)一步縮小裝置的體積，減小其重量。

拉繩恢復(fù)系統(tǒng)由彈簧和單向軸承組成。單向向軸承在一個方向上可以自由轉(zhuǎn)動，而在另一個方向上鎖死，可以保證拉繩恢復(fù)時候自由順滑，不受發(fā)電機(jī)作用力的影響。電機(jī)選用馮哈勃電機(jī)，穩(wěn)定輸出功率18 W，額定轉(zhuǎn)速5 600 r/min。

整個裝置除電機(jī)、彈簧和單向軸承外，均采用3D材料打印，實物如圖2所示。

圖2 發(fā)電裝置制作模型

整個裝置的重量只有500 g，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于其他背包能量收集裝置的重量。

1.2 工作原理

能量收集背包的工作原理如圖3所示。

圖3 發(fā)電背包工作原理示意圖

當(dāng)背包晃動的時候，彈簧盒會順時針轉(zhuǎn)動，拉伸彈簧，單向軸承處于單向鎖死狀態(tài)，輸入軸會跟隨彈簧盒逆時針轉(zhuǎn)動，位于輸入軸和發(fā)電機(jī)之間的齒輪轉(zhuǎn)動，并驅(qū)動發(fā)電機(jī)順時針轉(zhuǎn)動。當(dāng)背包晃動位移到達(dá)它的極限的時候，或者彈簧盒輸入速度小于電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度時，單向軸承會處于自由狀態(tài)，這樣可以保證背包晃動位移返回時(彈簧盒逆時針轉(zhuǎn)動)，彈簧盒只在彈簧拉力作用下收緊拉繩。

2 能量收集背包模型

在人體行走的過程中，背包和后背之間會產(chǎn)生相對位移，把這個相對位移作為背包的機(jī)械能量輸入，利用拉繩將背包和腰帶連接起來，那背包拉繩的輸入速度就是對拉繩拉伸長度的求導(dǎo)：

(1)

式中：V—拉繩的輸入速度；Δs—拉繩拉伸的長度；Δt—拉伸時間。

因為單向軸承的存在，只有當(dāng)拉繩拉伸時，輸入位移才會由彈簧盒傳遞到加速齒輪組上，并把線性輸入速度轉(zhuǎn)變?yōu)樾D(zhuǎn)速度，通過加速齒輪組進(jìn)行放大，所以電機(jī)旋轉(zhuǎn)角速度為：

(2)

式中：Wt—發(fā)電機(jī)的輸入角速度；V—拉繩輸入線性速度；r—彈簧盒的半徑；—整個齒輪組的加速比。

發(fā)電機(jī)的輸出電壓計算公式為：

Eg=WtKg

(3)

式中：Kg—反轉(zhuǎn)電動勢常數(shù)。

發(fā)電機(jī)的輸出電流計算公式為：

(4)

式中：Rg—電機(jī)內(nèi)阻；R1—電機(jī)外接負(fù)載。

發(fā)電機(jī)中有電流通過會產(chǎn)生一個反轉(zhuǎn)力矩，按下面公式計算：

τe=kt·I

(5)

式中：kt—力矩常數(shù)。

從電機(jī)的機(jī)械特性表格中可以查到，作用在彈簧盒上反轉(zhuǎn)力矩為：

τt=τe·rt

(6)

除了電機(jī)反轉(zhuǎn)力矩外，齒輪箱和電機(jī)加速減速也會產(chǎn)生力矩，所以總力矩為：

(7)

式中：n—齒輪箱的機(jī)械效率；τd—電機(jī)和齒輪力矩。

在已知總的反轉(zhuǎn)力矩的情況下，可以求出輸入拉力：

(8)

式中：r—彈簧盒的半徑；F—輸入拉力。

系統(tǒng)輸出功率為：

(9)

系統(tǒng)的機(jī)械輸入功率為：

Pm=F·V

(10)

3 實驗及結(jié)果分析

3.1 實驗裝備和步驟

3名健康成年男性參加實驗(年齡25歲，身高1.70±0.06 m,腿長8.84±0.042 m,重量65±8 kg),所有參與者身體各個部位都沒有受到過損傷，沒有物理上對身體運動的限制，實驗中通過諾伊騰公司的人體慣性補(bǔ)捕捉傳感器去獲得背包晃動位移和人體各個關(guān)節(jié)的運動數(shù)據(jù)，背包實測實驗圖如圖4所示。

圖4 背包實測實驗圖

拉力傳感器(量程0～5 kg，精度0.01 g)安裝在腰帶上，連接拉繩和腰帶，用來測量背包的輸入拉力，系統(tǒng)的輸出連接一個虛擬電阻[11]，拉繩的輸入速度通過安裝在電機(jī)的編碼器來測量。Arduino模塊通過模擬口測量拉力傳感器信號和編碼器的信號，轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號發(fā)送到上位機(jī)，通過Matlab進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。

位移測量實驗步驟：所有參與者依次背負(fù)重量為1.5 kg，2.5 kg，3.5 kg和4.5 kg的背包(1.5 kg為背包和實驗裝置自身的重量)，按照0.6 m/s，0.77 m/s，0.94 m/s，1.11 m/s，1.28 m/s速度為一組的實驗,依次在跑步機(jī)上行走，每個速度行走時間為20 s，每走完一個速度后休息2 min，每做完一組實驗休息3 min后，增加重量進(jìn)行下一組實驗。

系統(tǒng)輸出功率測量實驗步驟：3名實驗者背包的重量都為1.5 kg，按照0.6 m/s，0.77 m/s，0.94 m/s，1.11 m/s，1.28 m/s的速度為一組實驗,依次在跑步機(jī)上行走，每個速度行走時間為20 s，每走完一個速度后休息2 min，做完實驗后休息3 min，再重復(fù)兩次。

為了找到電機(jī)的輸出功率和電阻負(fù)載之間的關(guān)系，還要進(jìn)行阻抗匹配實驗[12]，本研究按照不同外接負(fù)載(1 Ω～10 Ω，等差為1)進(jìn)行了10組實驗，每組實驗都按1.11 m/s速度行走，一組實驗的時間為30 s，每組實驗時間休息1 min。

電功率和機(jī)械功率：外接負(fù)載的電壓通過Arduino的模擬口測量，工作頻率為1 000 Hz,瞬時功率通過公式(9)計算，能量收集背包的平均功率通過10 s內(nèi)的瞬時功率的平均值計算。

瞬時機(jī)械輸入功率通過拉繩上的輸入拉力與背包與腰帶之間的拉伸速度的乘積計算。拉力傳感器安裝在腰帶上，連接腰帶和拉繩，用來測量拉繩的拉力。電機(jī)上編碼器測出背包與后背之間的相對位移，再對相對位移求導(dǎo)可以得出輸入速度。機(jī)械輸入平均功率通過10 s內(nèi)瞬時機(jī)械輸入功率平均值計算。

3.2 實驗和仿真結(jié)果

背包晃動位移實驗測量結(jié)果的均值如圖5所示。

圖5 背包晃動位移與不同人體行走速度和負(fù)載重量之間的關(guān)系

當(dāng)人體行走速度V小于1 m/s時，在不同負(fù)載下，背包上、下振動的位移都小于背包左右晃動的位移，并且隨著背包負(fù)載的增加背包初始晃動位移S(上、下和左、右)都會有所下降；當(dāng)人體行走速度大于1 m/s時，背包上下的振動位移都大于背包左右晃動位移。

實驗結(jié)果表明：在人體低速行走的情況下，背包晃動的能量主要集中在水平方向上，而在高速狀態(tài)下主要集中在豎直方向上，如果采用懸掛負(fù)載式的發(fā)電方式，在低速情況下式是沒有優(yōu)勢的，而采用晃動位移驅(qū)動式在任何速度都可以進(jìn)行上、下和左、右的能量收集。

在不同外接負(fù)載，以1.11 m/s行走的10組輸出功率平均值實驗如圖6所示。

圖6 背包輸出功率與不同電阻負(fù)載之間的關(guān)系

實驗結(jié)果表明：當(dāng)隨著外接電阻增加時，輸出功率先增加后減小，當(dāng)外接負(fù)載大概在5 Ω時候，可以得到最大輸出功率Paverage大約在0.3 W左右。

在外接負(fù)載RL為5 Ω情況下，速度與輸出功率之間得關(guān)系如圖7所示。

圖7 背包輸出功率與不同速度之間的關(guān)系

由圖7可以發(fā)現(xiàn)：輸出功率隨著行走速度得增加，功率在不斷地上升，這和背包與后背之間晃動位移關(guān)系是符合，因為隨著行走速度提高，背包與后背之間的晃動位移和速度也在不斷上升，輸出功率也會不斷提高。懸掛負(fù)載式的背包，在1.5 m/s的行走速度下，負(fù)載為20 kg大約產(chǎn)生0.5 W左右的能量，但如果負(fù)載只有1.5 kg，幾乎沒有能量產(chǎn)生；而晃動位移驅(qū)動背包，卻可以在無外框架和幾乎無負(fù)載條件下，正常跑步行走速度V只為1.3 m/s時，獲得0.4 W的能量，相比之下晃動位移驅(qū)動背包的優(yōu)勢明顯。

在發(fā)電裝置中，單向軸承的運用，除了方便彈簧回收拉繩以外，也是為了收集更多的能量。隨著輸入的速度的增加，發(fā)電機(jī)因慣性存在，存儲的能量不斷上升，當(dāng)存儲的能量超過一定值時，拉繩輸入速度減小階段，會從某一時刻起電機(jī)旋轉(zhuǎn)線速度時會大于拉繩的輸入速度，單向軸承會處于自由旋轉(zhuǎn)狀態(tài)，發(fā)電機(jī)自由旋轉(zhuǎn)，獲得比輸入功率大的能量。

發(fā)電背包對人體運動姿態(tài)的影響如圖8所示。

圖8 發(fā)電背包對人體運動姿態(tài)的影響

背包在發(fā)電狀態(tài)下和不發(fā)電狀態(tài)下，人體姿態(tài)的變化如圖8(a～c)所示。在一個運動周期內(nèi)，兩種狀態(tài)下人體各個關(guān)節(jié)的運動角度θ，都沒有任何明顯的變化，關(guān)節(jié)最大運動角度如圖8(d～f)也基本相同，均值誤差小5%。這表明位移驅(qū)動發(fā)電背包對人體運動姿態(tài)是影響很小。

把Matlab仿真的結(jié)果與實際實驗測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，結(jié)果如圖9所示。

圖9 輸出電壓和輸入作用力的仿真和實驗對比圖

當(dāng)人體以1.11 m/s行走，外接電阻為5 Ω時，圖9(a)表明實測外接電阻輸出電壓VOUT與模型預(yù)測幾乎一樣；圖9(b)中機(jī)械輸入作用力Finput與仿真模型也基本符合。實際實驗中，因為系統(tǒng)存在摩擦力，實測結(jié)果會大于仿真結(jié)果。

4 結(jié)束語

本文基于對人體行走時背包與后背之間相對晃動位移規(guī)律的研究，提出了后背拉繩驅(qū)動發(fā)電背包。相比現(xiàn)有的能量收集背包方案，后背拉繩驅(qū)動發(fā)電背包無外框架，無需重負(fù)載，對人體行走姿態(tài)影響較小。

實驗結(jié)果顯示：在1.11 m/s人體行走速度1.5 kg和負(fù)載條件下，后背拉繩驅(qū)動發(fā)電背包能夠獲得0.3 W的能量，高于同等條件下其他方案，人體關(guān)節(jié)角度的變化均值不超4%，對人體運動姿態(tài)的影響較小，同時實驗結(jié)果與理論仿真數(shù)據(jù)基本吻合，證明本文提出基于單向軸承的理論發(fā)電模型的正確性。