一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器

本发明涉及能量采集器，尤其涉及一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器。

背景技术：

1、现有旋转式电磁能量采集装置通常包括外壳、转轴、转子、永磁体、线圈、轴承以及整流储能电路，基本结构如下：永磁体安装在转子上，线圈固定在外壳或定子支架上；当人体运动带动外壳产生摆动、振动或姿态变化时，转子在惯性作用下相对于外壳发生旋转，转子上的永磁体随之转动，使线圈所在区域的磁通量发生变化，从而在线圈中产生感应电动势。部分结构还会在转子上设置偏心质量块、摆锤、齿轮传动机构或惯性飞轮，以增强低速运动下的转动效果。

2、该类旋转式电磁能量采集装置虽然能够将机械运动转化为电能，但在实际使用中存在以下不足：永磁体与线圈之间多为局部耦合磁路，永磁体产生的磁场并未形成完整闭合的高效导磁回路，大量磁力线分布在装置外部或未被线圈有效切割的空间区域。尤其是当永磁体位于转子一侧、线圈布置在相对有限的区域时，磁场容易向半空间泄漏：即有相当部分磁场从永磁体背离线圈、远离有效工作区的一侧逸散，形成明显的半空间漏磁；而漏磁部分无法有效参与线圈的磁通变化，最终导致磁场利用率低、机电耦合效率不足，进而降低了输出电压与输出功率。

3、现有磁悬浮式电磁能量采集装置通常包含非导磁或弱导磁壳体、可往复运动的动磁体、固定磁体、线圈以及限位结构，基本结构形式如下：线圈绕制在壳体或导向筒外部，动磁体安装于壳体内部，可沿轴向往复移动；壳体的一端或两端设置固定磁体，固定磁体与动磁体之间依靠同极相斥或异极相吸的作用，形成磁悬浮支撑与回复力。人体运动带动外壳振动时，动磁体因惯性与线圈产生相对往复运动，改变穿过线圈的磁通量，进而感应产生电能。

4、这类磁悬浮式电磁能量采集装置利用磁体间的磁力构造“磁弹簧”，以磁弹簧替代传统机械弹簧，为动磁体提供回复力，使动磁体可在线圈内部或附近做往复振动。通过调整动磁体与固定磁体的极性、间距、磁场强度，以及线圈的布设位置，即可改变系统的等效刚度、平衡位置和固有频率。

5、但现有磁悬浮式电磁能量采集装置在人体低频运动环境中仍存在显著缺陷：（1）装置依靠磁弹簧实现振动回复，输出效率通常与系统固有频率和外部激励频率的匹配程度紧密相关。当外部运动频率接近磁悬浮系统的固有频率时，动磁体振幅更大，输出功率更高；但人体运动频率普遍较低，且波动不稳定，很难长期维持在装置设计的谐振频率附近。因此，在人体低频、非周期或随机运动条件下，动磁体相对于线圈的位移和速度往往偏小，磁通变化率不足，最终导致感应电压和输出功率偏低。（2）动磁体与固定磁体之间的磁力随间距变化明显，使得系统等效刚度并非恒定值。在小幅人体运动下，动磁体可能被限制在平衡位置附近，仅能产生微小振动；在较大冲击或姿态变化下，动磁体又容易出现偏置、吸附、碰撞限位或运动失稳的问题，造成输出波形不连续，甚至引发噪声和结构损伤。（3）磁悬浮式结构通常需要预留一定长度的运动行程，并布置端部固定磁体，导致装置轴向尺寸难以进一步缩小，不利于在穿戴式设备、便携式设备或狭小安装空间中应用。同时，若增加线圈匝数来提升输出电压，会同时增大装置体积与线圈内阻，影响实际输出功率；若减少线圈匝数，又难以在低频低速运动下获得足够的感应电压。（4）磁悬浮式结构通常仅对沿轴向的振动产生响应，对多方向、复杂姿态的人体运动适应性有限。当人体运动方向与动磁体的设计运动方向不一致时，动磁体很难产生有效相对位移，能量采集效率会明显下降。

6、因此，现有磁悬浮式电磁能量采集装置存在依赖磁弹簧谐振、低频人体运动下响应不足、非线性强、输出不稳定、结构尺寸受限以及方向适应性差等问题。

技术实现思路

1、本发明旨在至少解决相关技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提供一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器，解决了现有技术中存在依赖磁弹簧谐振、低频人体运动下响应不足的技术问题，实现了能量采集和速度感知。

2、本发明提供一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器，包括壳体以及设置于壳体的电磁采集单元、直驱激励输入单元和压电传感单元；

3、所述壳体包括依次连接的第一壳体、支撑板和第二壳体；

4、所述电磁采集单元包括连接于所述第一壳体的容置腔、沿所述容置腔的外壁轴向设置的多个空心铜线圈以及设置于所述容置腔内且能够沿轴向往复移动的动子组件；

5、所述直驱激励输入单元包括插设于所述动子组件的无磁穿心螺栓、设置于所述无磁穿心螺栓的顶部的连杆、设置于所述连杆的传动轴承、连接于所述传动轴承和所述支撑板的曲柄轴、连接于所述曲柄轴的第二单向轴承、连接于所述第二单向轴承的从动齿轮、啮合连接于所述从动齿轮的双联齿轮、连接于所述支撑板的传动轴、连接于所述传动轴的第一单向轴承以及连接于所述第一单向轴承的主动齿轮，所述主动齿轮啮合连接于所述双联齿轮，所述第一单向轴承穿出所述第二壳体，所述第一单向轴承连接有摆杆，所述摆杆的底端设置有质量块；

6、所述压电传感单元包括连接于所述支撑板靠近所述第二壳体侧部的悬臂梁固定座、连接于所述悬臂梁固定座的压电悬臂梁、连接于所述压电悬臂梁的顶端的端部磁体以及设置于所述主动齿轮的激励磁体。

7、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述动子组件包括多个轴向依次交替设置的隔磁环和圆环磁体，所述无磁穿心螺栓穿设于所述隔磁环和圆环磁体，所述无磁穿心螺栓的顶端具有限位头，所述无磁穿心螺栓的底端螺接有绝缘锁紧螺母，多个隔磁环和多个圆环磁体设置于所述限位头和绝缘锁紧螺母之间。

8、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述支撑板上开设有嵌合槽，所述嵌合槽内插设有磁弹簧安装座，所述磁弹簧安装座的顶面设置有磁弹簧，所述磁弹簧设置于所述容置腔的下方且对应于所述无磁穿心螺栓。

9、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述第一壳体的内壁间隔设置有多个绕组支架，所述容置腔连接于多个所述绕组支架。

10、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述第一壳体的顶部开设有限位导向孔，所述连杆的顶部设置有限位杆，所述限位杆穿设于所述限位导向孔。

11、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述支撑板开设有轴承安装座，所述轴承安装座的内壁设置有轴承限位条，所述第二单向轴承的外壁设置有轴承导向槽，所述轴承限位条连接于所述轴承导向槽。

12、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述支撑板开设有第一传动轴承座，所述第二壳体开设有第二传动轴承座，所述传动轴连接于所述第一传动轴承座和所述第二传动轴承座。

13、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述支撑板对应所述第二壳体的侧部设置有呈水平状的凸板，所述悬臂梁固定座可拆卸连接于所述凸板。

14、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述摆杆的底端设置有容置壳，所述质量块设置于所述容置壳内。

15、本发明一种具备人体运动速度自感知功能的直驱式能量采集器的进一步改进在于，所述第二壳体的外壁设置有限位螺栓一和限位螺栓二，所述限位螺栓一和限位螺栓二用以限制所述摆杆的摆动位置。

16、本发明实施例中的上述一个或多个技术方案，至少具有如下技术效果之一：

17、通过设置直驱激励输入单元，将人体运动或外部低频摆动输入依次经过第一单向轴承、主动齿轮、双联齿轮和从动齿轮组成的齿轮连杆传动单元、曲柄轴转换为动子组件的轴向往复移动，能够将低频、不连续的人体运动输入转换为较高频率且规律性更强的往复直线运动，提高动子组件相对于空心铜线圈的运动频率，从而提高电磁采集单元的磁通变化频率和感应电压输出能力。与依靠磁弹簧进行柔性耦合驱动的直线能量采集器相比，本发明的动子组件具有更明确的位移、速度和频率响应关系，能够提高低频人体运动输入条件下动子组件运动的可控性、重复性和响应稳定性。

18、通过动子组件采用多个圆环磁体与隔磁环沿轴向交替布置，且多个圆环磁体按照相邻磁体充磁方向相反的方式排列，从而形成交替极性的永磁动子结构。当动子组件在容置腔内往复移动时，交替极性布置的圆环磁体能够使穿过空心铜线圈的磁通量发生周期性变化，提高线圈中的磁通变化幅度和变化规律性，有利于增强电磁感应输出，圆环磁体与隔磁环在空心铜线圈内部移动，有效减少漏磁损耗。多个空心铜线圈沿容置腔轴向依次布置，并按照与圆环磁体极性排列相匹配的接线极性串联连接，使各空心铜线圈在动子组件往复移动过程中产生的感应电压能够在输出端同相叠加，能够提高电磁采集单元的整体输出电压，增强其对后端整流、储能或传感电路的供电能力。

19、通过非接触式的压电传感单元，使压电传感单元的输出电压、输出频率或输出脉冲特征能够随人体运动速度的变化而变化，从而使能量采集器在采集人体运动能量的同时具备运动速度感知能力，实现了能量采集和速度感知，有利于应用于可穿戴设备、人体运动监测装置以及自供能传感系统。

20、本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。