專利名稱:一種人體動能捕獲及機電轉換的裝置及其方法
技術領域:
本發明涉及可再生能源領域,具體涉及收集人體活動中的機械動能并轉化為電能的裝置及方法。
背景技術:
隨著國防的現代化,士兵在野外作業都需要隨身攜帯一系列電子設備,例如GPS、通信設備等,這些設備的能源供給主要來自電池。雖然電池技術已經取得了長足進步,但電池的電容量仍然限制著這些電子設備的使用。另ー方面,老化問題最終導致電池被拋棄,這也引起了嚴重的環境污染問題。因此,尋找一種可替代電池的能源,以供給士兵野外作戰所需的隨身電子設備是必要和有意義的。 此外,在野外作業時,需隨身攜帯的東西不少,人在背負重物吋,長時間負載步行需支付大量的生物能。
發明內容
為解決電池供電的電容量有限、不環保的技術問題,本發明提出了ー種人體動能捕獲及機電轉換的裝置及其方法,將人所背負的重物轉換為阻尼振蕩質量,并且利用該阻尼振蕩質量在人體步行中產生的振蕩運動驅動發電機,從而將人體步行中的動能轉換為電能,并可以減少人體在背負重物長期步行中所支出的生物能。本發明的裝置采用如下技術方案人體動能捕獲及機電轉換的裝置,包括發電機、固定在人體上的固定支架、用于承載人體負重的活動支架、一組連接固定支架與活動支架的彈簧、固定在活動支架上的齒條及與齒條嚙合連接的換向齒輪機構;所述換向齒輪機構將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動,并將齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。所述換向齒輪機構包括可動齒輪、輸出齒輪及中間齒輪;可動齒輪與齒條嚙合連接,且齒輪中心在長孔型槽中隨齒條上下雙向運動而滑動;輸出齒輪與中間齒輪嚙合;齒條向上運動時可動齒輪與輸出齒輪嚙合,齒條向下運動時可動齒輪與中間齒輪嚙合;輸出齒輪將齒輪單向旋轉運動傳遞給發動機。所述齒條、可動齒輪、輸出齒輪及中間齒輪具有相同的模數。上述人體動能捕獲及機電轉換的裝置,還包括與換向齒輪機構嚙合的加速齒輪組;換向齒輪機構通過加速齒輪組將齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。所述加速齒輪組包括相嚙合連接的兩個齒輪。本發明的方法采用如下技術方案人體動能捕獲及機電轉換的方法,基于上述裝置,包括以下步驟(I)利用固定支架、活動支架和彈簧所組成的阻尼振蕩系統將人體負重轉換為阻尼振蕩質量,從而捕獲人體步行中的動能;(2)步驟(I)所捕獲的動能通過的齒條輸出;換向齒輪機構將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動輸出;
(3)換向齒輪機構所輸出的齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。上述人體動能捕獲及機電轉換的方法中,步驟(3)換向齒輪機構所輸出的齒輪單向旋轉運動通過加速齒輪組傳遞給發電機。本發明的原理是人在背負物體(如重物)時步行,由于人的歩行基本屬于倒置的單擺形式,肩部在豎直方向上具有可觀的位移,此時固定支架、承載重物的活動支架與彈簧組成阻尼振蕩系統井隨著人體的活動而上下雙向運動。該上下雙向運動通過固定在活動支架之上的齒條傳遞給換向齒輪機構轉換為單向的齒輪旋轉運動,再通過加速齒輪組傳遞給發電機,從而實現機電轉換。上述換向齒輪機構,包括可在長孔型槽中自由滑動的可動齒輪B、輸出齒輪C及中間齒輪D ;當齒條向上運動時,齒條與可動齒輪之間存在的摩擦力將可動齒輪向上推動,齒輪C輸出順時針的旋轉運動;當齒條向下運動時,同樣由于齒條與齒輪之間的摩擦力,將可動齒輪向下推動并與中間齒輪嚙合,中間齒輪驅動輸出齒輪同樣輸出順時針旋轉運動。
固定支架除了固定在人體肩部之外,也可以固定在其余地方,例如腰部。只要固定于人體上的方式使得所背負的重物在阻尼振蕩系統中隨人體的活動而做上下雙向運動,換向齒輪機構就能夠將上下雙向運動轉換為齒輪單項旋轉運動,從而將人體活動的動能轉換為電能。相對于現有技術,本發明具有以下優點巧妙利用人體所背負的重物作為阻尼振蕩質量,并且通過換向齒輪機構利用該阻尼質量在人體步行中出現的振蕩運動驅動發電機,從而將人體步行中的動能轉換為電能,提供野外作業所需的電能,并可以減少人體在背負重物長期步行中所支出的生物能。
圖I是本發明裝置的結構示意圖。圖2是本發明一種實施方式的結構示意圖。圖3是本發明一種實施方式中換向齒輪機構的局部放大圖。
具體實施例方式下面將結合附圖對本發明作進ー步說明,但本發明的實施方式不限于此。參見圖1,本發明人體動能捕獲及機電轉換的裝置包括ー個可通過雙肩帶5固定在人體肩部的固定支架4、ー個用于承載人體所背負重物3的活動支架I、一組連接固定支架與活動支架的彈簧2、固定在活動支架上的齒條12、將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動的換向齒輪機構、加速齒輪組以及發電機。人在背負重物時步行,用于承載重物的活動支架I與彈簧2組成阻尼振蕩系統井隨著人體的活動而上下雙向運動。該上下雙向運動通過固定在活動支架之上的齒條傳遞給換向齒輪機構,由換向齒輪機構轉換為齒輪的單向旋轉運動并通過由齒輪10與齒輪11組成的加速齒輪組傳遞給發電機,從而實現機電轉換。換向齒輪機構包括可動齒輪6、輸出齒輪9、中間齒輪8 ;可動齒輪6與齒條12嚙合連接,可動齒輪的齒輪中心可在長孔型槽7中隨齒條12的上下雙向運動而自由滑動;當齒條12向上運動時,齒條12與可動齒輪6之間存在的摩擦カ將可動齒輪6向上推動與輸出齒輪9嚙合,輸出齒輪9輸出順時針的旋轉運動,此時中間齒輪8從動;當齒條12向下運動時,同樣由于齒條12與可動齒輪6之間的摩擦力,將可動齒輪6向下推動并與中間齒輪8嚙合,中間齒輪8驅動輸出齒輪9同樣輸出順時針旋轉運動。高速的順時針旋轉運動最終通過加速齒輪組傳遞給與之匹配的發電電機,從而將機械能轉換為電能;產生的電能通過整流調壓電路調整到合適電壓的直流電并存儲在蓄能裝置中。下面將以具體的一個實施例,對本發明做更詳細的描述實施例如圖2所示是本發明ー種具有機械換向機構的人體動能捕獲及機電轉換的裝置的一種實施方式,包括ー個可通過雙肩帶204固定在人體肩部的固定支架205、一個用于承載重物的活動支架207、固定于活動支架上的承重板201及其掛鉤202、一組連接固定支架與活動支架的彈簧206、固定在活動支架承重板上的齒條208、可將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動的換向齒輪機構、加速齒輪組以及發電機等。重物通過掛鉤202固定在承重板201上面,通過固定支架、活動支架與彈簧206構成阻尼振蕩系統。當人歩行吋, 由于人的歩行基本屬于倒置的單擺形式,肩部在豎直方向上具有可觀的位移,該上下的直線運動通過固定在活動支架承重板之上的齒條傳遞給換向齒輪機構轉換為齒輪單向旋轉運動并通過加速齒輪組傳遞給發電機,從而實現機電轉換。如圖3所示是換向機構的局部放大圖,換向齒輪機構主要包括齒輪中心可在長孔型槽中自由滑動的可動齒輪212、輸出齒輪214及中間齒輪213 ;其中可動齒輪212在長孔型槽中滑動時總是與齒條208嚙合,當可動齒輪212在長孔型槽的上端時與中間齒輪213嚙合,當在長孔型槽的下端時與輸出齒輪214嚙合,因此,上述的齒條208、可動齒輪212、輸出齒輪214、中間齒輪213都應該具有相同的模數,并且裝配必須保證可動齒輪可以自由滑動并且在滑動過程中與相關零件正確嚙合。可動齒輪212、輸出齒輪214、中間齒輪213安裝在齒輪組定位板210和211上,上述兩塊定位板可通過螺栓定位固定并保證上述換向齒輪機構的齒輪達到所需的精度,定位板最終通過定位平臺209固定在固定支架205上。本實施方案中,必須保證齒條208與可動齒輪212之間的嚙合精度。上述換向齒輪機構中的輸出齒輪214與加速齒輪組215嚙合,借此將換向齒輪機構所產生的齒輪單向旋轉運動進行加速,加速齒輪組最終將高速的齒輪旋轉運動傳遞給發電機216,從而將機械能轉換為電能;產生的電能通過整流調壓電路(圖中未標出)調整到合適電壓的直流電并存儲在蓄能裝置(圖中未標出)中。如圖I所示,上述裝置用于捕獲人體步行中的機械動能并轉化為電能的方法,包括以下步驟(I)利用固定支架、活動支架和彈簧所組成的阻尼振蕩系統將人體所背負的重物轉換為阻尼振蕩質量,從而捕獲人體步行中的動能。(2)步驟(I)所捕獲的動能通過固定在活動支架I之上的齒條12輸出;齒條與固定在固定支架4上的換向齒輪機構嚙合,換向齒輪機構將齒條上下雙向運動變換為齒輪單向旋轉運動輸出;(3)換向齒輪機構所輸出的齒輪單向旋轉運動通過加速齒輪組11對齒輪單向旋轉運動進行加速,高速的旋轉運動傳遞給發電機,從而將壓カ機械能轉換為電能,并通過整流調壓電路對電能進行調整后存儲在蓄能裝置。
根據上述說明書的掲示和教導,本發明所屬領域的技術人員還可以對上述實施方 式進行變更和修改。因此,本發明并不局限于上面掲示和描述的具體實施方式
,對本發明的ー些修改和變更也應當落入本發明的權利要求的保護范圍內。
權利要求
1.ー種人體動能捕獲及機電轉換的裝置,包括發電機,其特征在于,還包括固定在人體上的固定支架、用于承載人體負重的活動支架、一組連接固定支架與活動支架的彈簧、固定在活動支架上的齒條及與齒條嚙合連接的換向齒輪機構;所述換向齒輪機構將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動,并將齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。
2.根據權利要求I所述的人體動能捕獲及機電轉換的裝置,其特征在于,所述換向齒輪機構包括可動齒輪、輸出齒輪及中間齒輪;可動齒輪與齒條嚙合連接,且齒輪中心在長孔型槽中隨齒條上下雙向運動而滑動;輸出齒輪與中間齒輪嚙合;齒條向上運動時可動齒輪與輸出齒輪嚙合,齒條向下運動時可動齒輪與中間齒輪嚙合;輸出齒輪將齒輪單向旋轉運動傳遞給發動機。
3.根據權利要求2所述的人體動能捕獲及機電轉換的裝置,其特征在于,所述齒條、可動齒輪、輸出齒輪及中間齒輪具有相同的模數。
4.根據權利要求I或2所述的人體動能捕獲及機電轉換的裝置,其特征在于,還包括與換向齒輪機構嚙合的加速齒輪組;換向齒輪機構通過加速齒輪組將齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。
5.根據權利要求4所述的人體動能捕獲及機電轉換的裝置,其特征在于,所述加速齒輪組包括相嚙合連接的兩個齒輪。
6.基于權利要求廣3中任一項所述裝置的人體動能捕獲及機電轉換的方法,其特征在于包括以下步驟 (1)利用固定支架、活動支架和彈簧所組成的阻尼振蕩系統將人體負重轉換為阻尼振蕩質量,從而捕獲人體步行中的動能; (2)步驟(I)所捕獲的動能通過的齒條輸出;換向齒輪機構將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動輸出; (3 )換向齒輪機構所輸出的齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。
7.根據權利要求6所述的人體動能捕獲及機電轉換的方法,其特征在于,步驟(3)換向齒輪機構所輸出的齒輪單向旋轉運動通過加速齒輪組傳遞給發電機。
全文摘要
本發明公開了一種人體動能捕獲及機電轉換的裝置及其方法,其裝置,包括發電機、固定在人體上的固定支架、用于承載人體負重的活動支架、一組連接固定支架與活動支架的彈簧、固定在活動支架上的齒條及與齒條嚙合連接的換向齒輪機構;所述換向齒輪機構將齒條上下雙向運動轉換為齒輪單向旋轉運動,并將齒輪單向旋轉運動傳遞給發電機。解決了電池供電的電容量有限、不環保的技術問題,并可以減少人體在背負重物長期步行中所支出的生物能。
文檔編號F03G5/00GK102777338SQ20121025896
公開日2012年11月14日 申請日期2012年7月25日 優先權日2012年7月25日
發明者謝龍漢 申請人:華南理工大學