[发明专利]一种穿戴式发电装置及其控制方法

说明书

本发明公开了一种穿戴式发电装置及其控制方法，发电装置包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在这对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度传感器、拉力传感器以及微控制器；频率自调谐组件中的微控制器根据拉力传感器和加速度传感器的测量数值调节步进电机的行程来改变涡卷弹簧的伸长量，使发电背包的特征频率与人体行走时躯干振动频率保持一致，实现了能量的高效捕获。

技术领域

本发明属于能量收集技术领域，具体涉及一种穿戴式发电装置，还涉及一种基于此发电装置的控制方法。

背景技术

随着科学技术的不断进步，研究人员对日常的穿戴物品进行智能化设计，开发出了许多可穿戴的电子设备，如：智能手表和智能手环等。这些穿戴式电子设备的开发为人们的生活带了巨大便利。通常穿戴式电子设备使用一次或二次电池进行供电，但一次电池更换或对二次电池进行充电为穿戴式电子设备的使用带来了诸多不便。为此，利用人体携带的能量来为这些设备供电有望成为替代一次或二次电池的电源解决方案。

机械能是人体携带的主要能量之一，例如在行进过程中人体躯干的重心就一直处于上下振动而产生大量机械能，穿戴式电子设备可以采集这种形式的机械能从而为其自身供电。基于此，近年来技术人员们提出了一些采集振动能量的穿戴式发电装置，包括发电背包等。其中具有发电背包结构的穿戴式发电装置的基本工作原理是建立一个弹簧-质量-阻尼系统，当人体行进时发电背包在弹簧回复力的作用下振动，该振动进而驱动机-电转换模块产生电能。由力学知识可知，当发电背包自身的特征频率与人体行进的步态频率一致时，振动就处于谐振状态，发电装置就具有高的机械能采集效率，从而通过机-电转换模块而输出高的电能。

需要指出的是，由于谐振条件的限制，现有公开报道的发电背包往往仅能在一些较为限定的条件下实现高效的能量采集，如特定的背包质量和特定的行进速度等。当发电背包质量发生改变时，或者人体行进速度发生改变时，发电背包的振动就处于非谐振状态，机械能的采集效率大幅下降，产生的电能于是难以满足实际应用需求。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术中的不足，提出了一种穿戴式发电装置及其控制方法，可以根据人体的行进步态以及发电装置的质量而自适应地调节发电装置的特征频率，以使其自身特征频率与人体行进的频率谐振，实现高效的能量采集。

为解决上述技术问题，本发明提供了一种穿戴式发电装置，其特征是，包括矩形的固定架、能量转换组件和频率自调谐组件，固定架内竖直架设有一对内导轨，在此对内导轨上横向架设所述能量转换组件，每个内导轨上位于能量转换组件与固定架底部框之间均套设有支撑弹簧，此支撑弹簧用来支撑能量转换组件随穿戴者行进时沿内导轨上下振动，进而能量转换组件将自身上下振动能量转换为电能存储；

频率自调谐组件包括步进电机、涡卷弹簧、加速度采集器、拉力采集器以及控制单元；步进电机及控制单元由能量转换组件供电；加速度采集器和控制单元固定在固定架上，步进电机与能量转换组件固定，拉力采集器固定在固定架底部框上，涡卷弹簧一端与拉力采集器连接，另一端与步进电机的转动轴相连，涡卷弹簧和支撑弹簧形成复合式弹簧，涡卷弹簧的伸长量变化可改变复合式弹簧的刚度；

控制单元采集加速度采集器和拉力采集器获得穿戴者行进加速度和涡卷弹簧拉力，然后依据加速度数据获得穿戴者振动频率，依据拉力数据获得发电装置的质量，再依据穿戴者振动频率和发电装置质量调节步进电机行程来改变涡卷弹簧的拉伸长度，以调节复合式弹簧的刚度，进而最终实现调节发电装置自身的特征频率，使其与穿戴者振动频率发生谐振。