一种飞轮式人体足部机械能收集装置

本发明涉及可穿戴泛在能源俘获，具体涉及一种飞轮式人体足部机械能收集装置。

背景技术：

1、智能手表、智能眼镜等可穿戴设备已经深入到我们的日常生活中，在监测、传感、采集等领域的智能化发展中发挥了关键作用，它们不仅提供了便捷的信息获取和交互方式，还为我们的健康和生活带来了许多便利。然而，随着这些设备功能的不断增强和多样化，对能源的需求也在不断增加，可穿戴设备体积和重量受限，使得其工作时长受到限制，传统的电池供电无法满足可穿戴设备的长生命周期和绿色环保需求，频繁的充电也给用户带来了不便。如何有效地为这些低功耗电子设备供能，已经成为了限制其进一步发展的关键问题。

2、随着可穿戴设备的发展，人们开始收集人体在运动中释放的能量，例如行走时足部运动或手臂摆动释放的能量。现在已经有很多种吸收足部机械能来发电的装置，一般来说这些装置的发电原理主要分为三种：机械齿轮传动式、压电式和电磁式，如：现有技术公开了一种基于脚底压力的自发电智能鞋垫，正常脚部行走或跑步运动时，设备自身就产生5v电压的电能并贮存于设备内部自己的锂电池中，同时通过usb接口与连线输出电力，但压电陶瓷的机械强度相对较低，容易受到外力作用而损坏，且原料中包含铅等有毒物质；同时现有技术还公开了一种高效能运动发电鞋，通过鞋底弯曲时导电片进行不平行于磁性片平面方向上的运动，以使导电片在磁性片产生的磁场里做切割磁感线运动，产生电磁感应电流，但这种方法对能量的收集效率低且长期线圈易被损坏。

技术实现思路

1、本发明提供了一种飞轮式人体足部机械能收集装置，该机械能收集装置能够将人体行走时释放的泛在机械能以动能的形式短暂储存在单向旋转飞轮中，并不间断地转化为直流电能，且结构简单、成本低。

2、本发明采用以下具体技术方案：

3、一种飞轮式人体足部机械能收集装置，该机械能收集装置安装于鞋底内，并包括底座、脚踏板、扭簧、两个棘轮主动轮、棘爪、飞轮、两个微型发电机以及能量管理电路板；

4、所述底座的顶部具有与所述脚踏板形状配合的开口，内部具有空腔；所述脚踏板的一端通过踏板轴转动安装于所述底座的顶部，另一端的底面设置有沿所述踏板轴的轴向间隔分布且呈圆弧形的下行传动齿条和上抬传动齿条；所述扭簧套设于所述踏板轴上，用于向所述脚踏板提供上抬的弹力；

5、所述飞轮安装于所述底座内，并位于所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条之间；所述飞轮的两侧内缘设置有互为镜像的齿状表面，所述齿状表面形成棘轮被动轮；沿所述飞轮的轴向，所述飞轮的两侧依次分布有所述棘爪、所述棘轮主动轮以及所述微型发电机；所述棘爪互为镜像结构；所述棘爪转动连接于所述棘轮主动轮，与所述飞轮的齿状表面咬合且形成单向传动机构；所述微型发电机固定安装于所述底座；所述微型发电机的发电机轴与所述飞轮共轴相连，并与所述飞轮同步旋转；所述棘轮主动轮空套于所述微型发电机的发电机轴上；一个所述棘轮主动轮与所述上抬传动齿条啮合，另一个所述棘轮主动轮与所述下行传动齿条啮合；

6、所述能量管理电路板固定安装于所述底座内底部，用于实现对所述微型发电机输出的电能进行存储，并为负载提供稳定的电能。

7、更进一步地，所述下行传动齿条的齿朝向所述踏板轴一侧；所述上抬传动齿条的齿朝向远离所述踏板轴的一侧；

8、两个所述微型发电机为对称分布于所述飞轮两侧的左侧微型发电机和右侧微型发电机；两个所述棘轮主动轮为空套于所述左侧微型发电机的发电机轴上的左侧棘轮主动轮和空套于所述右侧微型发电机的发电机轴上的右侧棘轮主动轮；所述左侧棘轮主动轮包括与所述上抬传动齿条啮合的左侧圆形齿轮；所述右侧棘轮主动轮包括与所述下行传动齿条啮合的右侧圆形齿轮；

9、所述棘爪包括转动连接于所述左侧棘轮主动轮的左棘爪和转动连接于所述右侧棘轮主动轮的右棘爪；所述左棘爪与所述飞轮左侧的齿状表面咬合；所述右棘爪与所述飞轮右侧的齿状表面咬合；所述左棘爪和所述右棘爪互为镜像结构。

10、更进一步地，所述下行传动齿条的分度圆半径为所述下行传动齿条到所述踏板轴的距离；所述上抬传动齿条的分度圆半径为所述上抬传动齿条到所述踏板轴的距离；

11、所述下行传动齿条与所述上抬传动齿条的分度圆半径差等于所述左侧棘轮主动轮的分度圆直径或者所述右侧棘轮主动轮的分度圆直径。

12、更进一步地，所述底座和所述脚踏板均采用硬质塑料；

13、所述左侧棘轮主动轮、所述右侧棘轮主动轮以及所述棘爪均采用高硬度轻质合金材料；

14、所述飞轮采用高密度合金材料；

15、所述扭簧采用304钢材料。

16、更进一步地，所述底座为镂空结构，并设置有用于固定安装两个所述微型发电机的左侧电机座和右侧电机座。

17、更进一步地，还包括用于所述脚踏板的限位结构；

18、所述限位结构用于限定所述脚踏板的下行极限位置与上抬极限位置。

19、更进一步地，所述限位结构包括设置于所述底座内壁的限位挡边和限位凸起、以及设置于所述脚踏板底面的限位钩；

20、所述限位挡边形成所述脚踏板的下行极限位置；

21、所述限位凸起与所述限位钩对应配合，形成所述脚踏板的上抬极限位置。

22、更进一步地，所述脚踏板设置有通孔和与所述通孔连通的凹槽；

23、所述踏板轴贯穿所述通孔设置，且两端部通过卡簧安装于所述底座；

24、所述扭簧容置于所述通孔内，两个支脚伸出所述凹槽，其中一个支脚抵接于所述脚踏板的底面，另一个支脚抵接于所述底座的内壁。

25、更进一步地，所述脚踏板设置有沿所述踏板轴的轴向间隔设置的两个所述凹槽。

26、更进一步地，所述飞轮在沿其轴向的中部具有环形凹陷；

27、所述能量管理电路板由充电电路、储能模块、稳压电路以及供电接口组成；

28、所述充电电路用于实现宽压输入对所述储能模块进行恒压、恒流结合的最大功率充电；储能模块用于储存所述微型发电机产生的电能；所述稳压电路用于在所述储能模块的端电压动态变化下为负载提供稳定的供电电压；所述供电接口用于为负载提供电能。

29、有益效果：

30、1、本发明的飞轮式人体足部机械能收集装置采用飞轮进行储能，飞轮储能技术具备绿色无污染、使用寿命长的突出优点；飞轮储能系统基于定轴旋转的动能定理，将走路时产生的机械能以动能的形式存储在旋转飞轮中，利用飞轮储能技术存储人体运动机械能，将不连续、不稳定、双向的人体足部往复运动转换为飞轮的持续、单向旋转运动，进而利用惯性带动微型发电机的转子持续转动，将不连续、双向的机械能转化为持续的直流电能，为负载供能；利用飞轮存储人体动能带动微型发电机进行能量转化获得直流电能，避免使用整流桥等传统整流模块，可以显著提高能量转化效率，对于泛在机械能源收集效果显著。

31、2、通过脚踏板的两个齿条与齿轮啮合能够充分吸收人体脚后跟踩踏产生的垂直动量；通过限位结构能够限制脚踏板绕踏板轴的转动角度，脚踏板抬起角度小能在发电的同时保证人行走的舒适性；两个棘轮主动轮上的微型圆形齿轮半径小、强度高，在齿条运动范围有限的情况下可以转动较大的角度，从而充分利用足部落地瞬间的踩踏压力来增大飞轮转动的角速度；同时能起到缓冲作用，降低结构所承受的最大应力，延长使用寿命。

32、3、脚踏板与飞轮之间采用由棘轮主动轮、棘爪和飞轮的齿状表面构成的棘轮机构来传递机械能，减小了摩擦阻力，提高了机械能的利用率。由于飞轮内缘具备齿状表面，棘爪在棘轮被动轮转动速度快于棘轮主动轮时不与齿状边缘咬合；而当棘轮主动轮转动速度快于棘轮被动轮时，棘爪由于离心力向外甩出并与齿状边缘咬合，带动棘轮被动轮进行同角速度旋转。使用棘轮机构为飞轮传递动力，可保证飞轮在工作过程中始终单向旋转。

33、4、利用扭簧与双棘轮机构来维持足部抬起时飞轮的旋转；当足底着地时，脚踏板受压使齿条向下运动，扭簧被压缩，下行传动齿条使右侧棘轮主动轮正向旋转，通过棘爪带动双侧飞轮加速旋转，此时上抬传动齿条使左侧棘轮主动轮反向旋转，在左棘爪的作用下左侧棘轮主动轮的旋转动力被隔离，不会传递至飞轮，从而避免干扰飞轮的旋转；当足部抬起时，扭簧被释放，使脚踏板抬起，上抬传动齿条使左侧棘轮主动轮正向旋转，通过左棘爪带动双侧飞轮继续加速旋转，此时右侧棘轮主动轮在右棘爪的作用下同样不会干扰飞轮的旋转。因此，采用上述传动结构在人行走的全过程中都能稳定的将机械能转化为电能。

34、5、在飞轮中间采用凹陷设计，凹陷部分可缠绕金属丝改变其重量，从而可以根据人体不同的体重调节飞轮的重量，增强产品的适用性。

35、6、本发明的机械能收集装置具有结构简单、材料成本低、环保、易于获取、飞轮和发电机结构易于拆卸和组装的特点，可以根据工作环境的变化制作不同尺寸的部件，提高了装置的可用性。