一种飞轮式机械能收集的穿戴式自供能定位装置

本发明涉及日常生活节能发电，具体涉及一种飞轮式机械能收集的穿戴式自供能定位装置。

背景技术：

1、随着社会老龄化程度的不断加深，保障失能老人的安全问题成为重中之重。为防止老年人、儿童等走失事件的发生，可穿戴定位器受到了广泛关注。传统的可穿戴定位器通常依赖电池进行供电，然而，确保独居老人按时对定位器进行充电同样是一个难题。因此，研发可靠的穿戴式自供能定位器将大大有助于提高老年人的安全保障水平，为应对社会老龄化带来的挑战提供创新的解决方案。

2、在无污染、可再生的新能源需求驱动下，捕获人体自然产生的热能、生理活动能量和运动动能等泛在能源成为了解决可穿戴定位设备自供能问题的新思路。相较于其他类型的人体泛在能源，行走时人体产生的动能具有能量大、易捕获的特性，因此足部机械能采集发电装置成为穿戴式自供能定位设备的突破口。现有技术中提供了一种压电自供能定位鞋，该定位鞋通过压电发电单元完成自供能，在弹性板的两相对侧面上固定压电材料层，形成悬臂梁结构的压电体，在行走过程中，人体重力挤压压电体的悬空端产生形变形成电势差，产生电能。储能单元将产生的电能存储起来，为控制模块、gps定位模块和无线通信模块供能，完成定位功能。

3、然而，由于目前所用的压电片强度普遍较低，易受外力损坏，在稳定性和使用寿命方面存在一定限制，且材料成本相对较高。

技术实现思路

1、本发明提供了一种飞轮式机械能收集的穿戴式自供能定位装置，该穿戴式自供能定位装置能够将人体行走时释放的泛在机械能以动能的形式通过单向传动机构短暂储存在单向旋转飞轮中，并通过发电机转化为直流电能，为定位模块提供能源，且结构简单、成本低。

2、本发明采用以下具体技术方案：

3、一种飞轮式机械能收集的穿戴式自供能定位装置，该穿戴式自供能定位装置包括底座、脚踏板、磁铁回弹装置、单向传动机构、飞轮、两个发电机以及电路板；

4、所述底座固定安装于鞋底内；所述脚踏板的一端转动安装于所述底座的顶部；所述磁铁回弹装置包括安装于所述底座和所述脚踏板的磁铁；当足部踩压所述脚踏板时，所述脚踏板的另一端向下运动；当足部抬起时，所述磁铁回弹装置通过所述磁铁之间产生的斥力使所述脚踏板向上弹起实现复位；

5、所述单向传动机构传动连接于所述脚踏板与所述飞轮之间，用于将所述脚踏板的往复运动转换为所述飞轮的单向转动；

6、两个所述发电机对称分布于所述飞轮的两侧且固定安装于所述底座，所述发电机的电机轴与所述飞轮的飞轮轴同轴固连；两个所述发电机串联构成发电机组；

7、所述电路板固定安装于所述底座，并具有电能管理模块、定位采集模块以及远程通信模块；所述电能管理模块与所述发电机组、所述定位采集模块以及所述远程通信模块连接，用于收集、存储所述发电机组输出的电能，并为所述定位采集模块、所述单片机以及所述远程通信模块提供电能；所述定位采集模块用于采集位置信息，并通过所述远程通信模块将采集到的位置信息进行发送。

8、更进一步地，所述脚踏板具有相对设置的第一端和第二端；所述第一端通过沿水平方向延伸的踏板轴转动安装于所述底座的一端；所述第二端的底面设置有圆弧形的下行传动齿条和上抬传动齿条；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；

9、所述单向传动机构包括左单向轴承、左侧一级齿轮、右侧一级齿轮、二级齿轮、转轴以及右单向轴承；所述转轴与所述踏板轴平行设置，并且两端转动支承于所述底座；所述二级齿轮固定安装于所述转轴的中部；所述左单向轴承与所述右单向轴承对称分布于所述二级齿轮的两侧；所述左单向轴承的内圈与所述右单向轴承的内圈均固定安装于所述转轴；所述左单向轴承的外圈外周侧固定套接有所述左侧一级齿轮；所述右单向轴承的外圈外周侧固定套接有所述右侧一级齿轮；

10、所述左侧一级齿轮与所述上抬传动齿条啮合；所述右侧一级齿轮与所述下行传动齿条啮合；所述左单向轴承与所述右单向轴承具有相同转动方向，用于实现单向传动；在人行走时，所述左侧一级齿轮和所述右侧一级齿轮做方向相反的往复旋转运动，所述二级齿轮与所述飞轮的中间齿轮啮合以驱动所述飞轮转动。

11、更进一步地，所述转轴的两端通过轴承和轴承端盖固定安装于所述底座。

12、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；

13、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。

14、更进一步地，所述脚踏板的第一端设置有限位钩；

15、所述底座的内壁设置有限位挡板；

16、所述限位挡板与所述限位钩配合，用于对所述脚踏板的上弹进行限位。

17、更进一步地，所述底座和所述脚踏板均采用硬质塑料，并设计有减重孔；

18、所述左侧一级齿轮、所述右侧一级齿轮以及所述二级齿轮均采用高硬度轻质合金材料；

19、所述飞轮采用高密度合金材料。

20、更进一步地，在所述脚踏板的底面设置有上磁铁安装座；

21、所述底座的顶面设置有与所述上磁铁安装座一一对应的下磁铁安装座；

22、在所述上磁铁安装座和所述下磁铁安装座内均安装有所述磁铁。

23、更进一步地，所述电能管理模块包括充电电路、储能模块、稳压电路以及对外供电接口；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；所述稳压电路用于实现所述储能模块在端电压动态变化下为负载提供稳定的供电电压。

24、更进一步地，所述飞轮的两侧设置有凹陷部分，并在所述凹陷部分内缠绕有金属丝或加装有质量块。

25、更进一步地，还包括外壳；

26、所述外壳设置有顶部开口；

27、所述底座固定安装于所述外壳内。

28、有益效果：

29、1、本发明的穿戴式自供能定位装置采用飞轮储能技术实现机械能向电能的转换，通过单向传动机构能够将人体足部运动时作用于脚踏板的不连续、不稳定、双向的机械能转换为飞轮转动时连续、稳定、单向的动能，飞轮利用惯性带动发电机的转子持续转动，产生持续的直流电能，为定位模块提供能源，且结构简单、成本低，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。

30、2、单向传动机构采用两个转动方向相同的单向轴承，将人体行走时足部踩下脚踏板和抬起时通过磁铁回弹装置使脚踏板回弹的双向运动转换为飞轮的单向运动，结构简单可靠、易于安装与更换，且在正、反转切换时产生的回程差可以忽略，能显著提高泛在机械能的收集效率。

31、3、脚踏板的下行传动齿条和上抬传动齿条与单向传动机构左、右两侧的一级齿轮啮合传动，能充分吸收人体脚后跟踩踏产生的垂直动量，一级齿轮半径小、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，再通过二级齿轮进行放大，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、4、磁铁回弹装置在底座和脚踏板上安装有对应的磁铁，利用对应位置磁铁相同磁极之间产生的斥力，完成人体行走运动中足部抬起时脚踏板的回弹，通过磁铁的磁力实现脚踏板的回弹，使得结构之间不存在机械磨损，可靠性强。

33、5、飞轮的两侧设置有凹陷部分，并通过凹陷部分内通过缠绕金属丝或加装质量块改变其重量，从而调节飞轮的转动惯量；通过调节飞轮的中间齿轮与二级齿轮的齿数比可以适配不同体重的人体，增强产品的适用性。

34、6、本发明穿戴式自供能定位装置的结构简单、材料成本低、环保、易于获取，且飞轮和发电机结构易于拆卸和组装，可以根据工作环境的变化制作不同尺寸的部件，提高了适用性。