专利名称：一种人体动能捕获及机电转换的装置及其方法
技术领域：
本发明涉及可再生能源领域，具体涉及收集人体活动中的机械动能并转化为电能的装置及方法。
背景技术：
随着国防的现代化，士兵在野外作业都需要随身携帯一系列电子设备，例如GPS、通信设备等，这些设备的能源供给主要来自电池。虽然电池技术已经取得了长足进步，但电池的电容量仍然限制着这些电子设备的使用。另ー方面，老化问题最終导致电池被抛弃，这也引起了严重的环境污染问题。因此，寻找一种可替代电池的能源，以供给士兵野外作战所需的随身电子设备是必要和有意义的。 此外，在野外作业时，需随身携帯的东西不少，人在背负重物吋，长时间负载步行需支付大量的生物能。
发明内容
为解决电池供电的电容量有限、不环保的技术问题，本发明提出了ー种人体动能捕获及机电转换的装置及其方法，将人所背负的重物转换为阻尼振荡质量，并且利用该阻尼振荡质量在人体步行中产生的振荡运动驱动发电机，从而将人体步行中的动能转换为电能，并可以減少人体在背负重物长期步行中所支出的生物能。本发明的装置采用如下技术方案人体动能捕获及机电转换的装置，包括发电机、固定在人体上的固定支架、用于承载人体负重的活动支架、一组连接固定支架与活动支架的弹簧、固定在活动支架上的齿条及与齿条啮合连接的换向齿轮机构；所述换向齿轮机构将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动，并将齿轮单向旋转运动传递给发电机。所述换向齿轮机构包括可动齿轮、输出齿轮及中间齿轮；可动齿轮与齿条啮合连接，且齿轮中心在长孔型槽中随齿条上下双向运动而滑动；输出齿轮与中间齿轮啮合；齿条向上运动时可动齿轮与输出齿轮啮合，齿条向下运动时可动齿轮与中间齿轮啮合；输出齿轮将齿轮单向旋转运动传递给发动机。所述齿条、可动齿轮、输出齿轮及中间齿轮具有相同的模数。上述人体动能捕获及机电转换的装置,还包括与换向齿轮机构啮合的加速齿轮组；换向齿轮机构通过加速齿轮组将齿轮单向旋转运动传递给发电机。所述加速齿轮组包括相啮合连接的两个齿轮。本发明的方法采用如下技术方案人体动能捕获及机电转换的方法，基于上述装置，包括以下步骤(I)利用固定支架、活动支架和弹簧所组成的阻尼振荡系统将人体负重转换为阻尼振荡质量，从而捕获人体步行中的动能；(2)步骤(I)所捕获的动能通过的齿条输出；换向齿轮机构将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动输出；
(3)换向齿轮机构所输出的齿轮单向旋转运动传递给发电机。上述人体动能捕获及机电转换的方法中，步骤(3)换向齿轮机构所输出的齿轮单向旋转运动通过加速齿轮组传递给发电机。本发明的原理是人在背负物体(如重物)时步行，由于人的歩行基本属于倒置的单摆形式，肩部在竖直方向上具有可观的位移，此时固定支架、承载重物的活动支架与弹簧组成阻尼振荡系统井随着人体的活动而上下双向运动。该上下双向运动通过固定在活动支架之上的齿条传递给换向齿轮机构转换为单向的齿轮旋转运动，再通过加速齿轮组传递给发电机，从而实现机电转换。上述换向齿轮机构，包括可在长孔型槽中自由滑动的可动齿轮B、输出齿轮C及中间齿轮D ;当齿条向上运动时，齿条与可动齿轮之间存在的摩擦力将可动齿轮向上推动，齿轮C输出顺时针的旋转运动；当齿条向下运动时，同样由于齿条与齿轮之间的摩擦力，将可动齿轮向下推动并与中间齿轮啮合，中间齿轮驱动输出齿轮同样输出顺时针旋转运动。
固定支架除了固定在人体肩部之外，也可以固定在其余地方，例如腰部。只要固定于人体上的方式使得所背负的重物在阻尼振荡系统中随人体的活动而做上下双向运动，换向齿轮机构就能够将上下双向运动转换为齿轮单项旋转运动，从而将人体活动的动能转换为电能。相对于现有技术，本发明具有以下优点巧妙利用人体所背负的重物作为阻尼振荡质量，并且通过换向齿轮机构利用该阻尼质量在人体步行中出现的振荡运动驱动发电机，从而将人体步行中的动能转换为电能，提供野外作业所需的电能，并可以减少人体在背负重物长期步行中所支出的生物能。
图I是本发明装置的结构示意图。图2是本发明一种实施方式的结构示意图。图3是本发明一种实施方式中换向齿轮机构的局部放大图。
具体实施例方式下面将结合附图对本发明作进ー步说明，但本发明的实施方式不限于此。參见图1，本发明人体动能捕获及机电转换的装置包括ー个可通过双肩带5固定在人体肩部的固定支架4、ー个用于承载人体所背负重物3的活动支架I、一组连接固定支架与活动支架的弹簧2、固定在活动支架上的齿条12、将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动的换向齿轮机构、加速齿轮组以及发电机。人在背负重物时步行，用于承载重物的活动支架I与弹簧2组成阻尼振荡系统井随着人体的活动而上下双向运动。该上下双向运动通过固定在活动支架之上的齿条传递给换向齿轮机构，由换向齿轮机构转换为齿轮的单向旋转运动并通过由齿轮10与齿轮11组成的加速齿轮组传递给发电机，从而实现机电转换。换向齿轮机构包括可动齿轮6、输出齿轮9、中间齿轮8 ;可动齿轮6与齿条12啮合连接，可动齿轮的齿轮中心可在长孔型槽7中随齿条12的上下双向运动而自由滑动；当齿条12向上运动时，齿条12与可动齿轮6之间存在的摩擦カ将可动齿轮6向上推动与输出齿轮9啮合，输出齿轮9输出顺时针的旋转运动，此时中间齿轮8从动；当齿条12向下运动时，同样由于齿条12与可动齿轮6之间的摩擦力，将可动齿轮6向下推动并与中间齿轮8啮合，中间齿轮8驱动输出齿轮9同样输出顺时针旋转运动。高速的顺时针旋转运动最终通过加速齿轮组传递给与之匹配的发电电机，从而将机械能转换为电能；产生的电能通过整流调压电路调整到合适电压的直流电并存储在蓄能装置中。下面将以具体的一个实施例，对本发明做更详细的描述实施例如图2所示是本发明ー种具有机械换向机构的人体动能捕获及机电转换的装置的一种实施方式，包括ー个可通过双肩带204固定在人体肩部的固定支架205、一个用于承载重物的活动支架207、固定于活动支架上的承重板201及其挂钩202、一组连接固定支架与活动支架的弹簧206、固定在活动支架承重板上的齿条208、可将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动的换向齿轮机构、加速齿轮组以及发电机等。重物通过挂钩202固定在承重板201上面，通过固定支架、活动支架与弹簧206构成阻尼振荡系统。当人歩行吋， 由于人的歩行基本属于倒置的单摆形式，肩部在竖直方向上具有可观的位移，该上下的直线运动通过固定在活动支架承重板之上的齿条传递给换向齿轮机构转换为齿轮单向旋转运动并通过加速齿轮组传递给发电机，从而实现机电转换。如图3所示是换向机构的局部放大图，换向齿轮机构主要包括齿轮中心可在长孔型槽中自由滑动的可动齿轮212、输出齿轮214及中间齿轮213 ;其中可动齿轮212在长孔型槽中滑动时总是与齿条208啮合，当可动齿轮212在长孔型槽的上端时与中间齿轮213啮合，当在长孔型槽的下端时与输出齿轮214啮合，因此，上述的齿条208、可动齿轮212、输出齿轮214、中间齿轮213都应该具有相同的模数，并且装配必须保证可动齿轮可以自由滑动并且在滑动过程中与相关零件正确啮合。可动齿轮212、输出齿轮214、中间齿轮213安装在齿轮组定位板210和211上，上述两块定位板可通过螺栓定位固定并保证上述换向齿轮机构的齿轮达到所需的精度，定位板最終通过定位平台209固定在固定支架205上。本实施方案中，必须保证齿条208与可动齿轮212之间的啮合精度。上述换向齿轮机构中的输出齿轮214与加速齿轮组215啮合，借此将换向齿轮机构所产生的齿轮单向旋转运动进行加速，加速齿轮组最终将高速的齿轮旋转运动传递给发电机216，从而将机械能转换为电能；产生的电能通过整流调压电路(图中未标出)调整到合适电压的直流电并存储在蓄能装置(图中未标出)中。如图I所示，上述装置用于捕获人体步行中的机械动能并转化为电能的方法，包括以下步骤(I)利用固定支架、活动支架和弹簧所组成的阻尼振荡系统将人体所背负的重物转换为阻尼振荡质量，从而捕获人体步行中的动能。(2)步骤(I)所捕获的动能通过固定在活动支架I之上的齿条12输出；齿条与固定在固定支架4上的换向齿轮机构啮合,换向齿轮机构将齿条上下双向运动变换为齿轮单向旋转运动输出；(3)换向齿轮机构所输出的齿轮单向旋转运动通过加速齿轮组11对齿轮单向旋转运动进行加速，高速的旋转运动传递给发电机，从而将压カ机械能转换为电能，并通过整流调压电路对电能进行调整后存储在蓄能装置。
根据上述说明书的掲示和教导，本发明所属领域的技术人员还可以对上述实施方 式进行变更和修改。因此，本发明并不局限于上面掲示和描述的具体实施方式
，对本发明的ー些修改和变更也应当落入本发明的权利要求的保护范围内。
权利要求
1.ー种人体动能捕获及机电转换的装置，包括发电机，其特征在于，还包括固定在人体上的固定支架、用于承载人体负重的活动支架、一组连接固定支架与活动支架的弹簧、固定在活动支架上的齿条及与齿条啮合连接的换向齿轮机构；所述换向齿轮机构将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动，并将齿轮单向旋转运动传递给发电机。
2.根据权利要求I所述的人体动能捕获及机电转换的装置，其特征在于，所述换向齿轮机构包括可动齿轮、输出齿轮及中间齿轮；可动齿轮与齿条啮合连接，且齿轮中心在长孔型槽中随齿条上下双向运动而滑动；输出齿轮与中间齿轮啮合；齿条向上运动时可动齿轮与输出齿轮啮合，齿条向下运动时可动齿轮与中间齿轮啮合；输出齿轮将齿轮单向旋转运动传递给发动机。
3.根据权利要求2所述的人体动能捕获及机电转换的装置，其特征在于，所述齿条、可动齿轮、输出齿轮及中间齿轮具有相同的模数。
4.根据权利要求I或2所述的人体动能捕获及机电转换的装置，其特征在于，还包括与换向齿轮机构啮合的加速齿轮组；换向齿轮机构通过加速齿轮组将齿轮单向旋转运动传递给发电机。
5.根据权利要求4所述的人体动能捕获及机电转换的装置，其特征在于，所述加速齿轮组包括相啮合连接的两个齿轮。
6.基于权利要求广3中任一项所述装置的人体动能捕获及机电转换的方法，其特征在于包括以下步骤 (1)利用固定支架、活动支架和弹簧所组成的阻尼振荡系统将人体负重转换为阻尼振荡质量，从而捕获人体步行中的动能； (2)步骤(I)所捕获的动能通过的齿条输出；换向齿轮机构将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动输出； (3 )换向齿轮机构所输出的齿轮单向旋转运动传递给发电机。
7.根据权利要求6所述的人体动能捕获及机电转换的方法，其特征在于，步骤(3)换向齿轮机构所输出的齿轮单向旋转运动通过加速齿轮组传递给发电机。
全文摘要
本发明公开了一种人体动能捕获及机电转换的装置及其方法，其装置，包括发电机、固定在人体上的固定支架、用于承载人体负重的活动支架、一组连接固定支架与活动支架的弹簧、固定在活动支架上的齿条及与齿条啮合连接的换向齿轮机构；所述换向齿轮机构将齿条上下双向运动转换为齿轮单向旋转运动，并将齿轮单向旋转运动传递给发电机。解决了电池供电的电容量有限、不环保的技术问题，并可以减少人体在背负重物长期步行中所支出的生物能。
文档编号F03G5/00GK102777338SQ20121025896
公开日2012年11月14日 申请日期2012年7月25日 优先权日2012年7月25日
发明者谢龙汉 申请人:华南理工大学