一种自适应型关节发电装置的制作方法

本发明涉及机械和电学技术领域，特别涉及一种基于人体关节运动的自适应型关节发电装置。

技术背景

随着微电子、微制造和通信技术的快速进步，各种便携式电子设备不断涌现，一些便携式电子产品甚至成为了人们必不可少的物品，为人们的生活和工作提供了种种的便利和效率。随着这些电子产品持续向智能化和多功能一体化趋势发展，高电能消耗同时也成为它们驱之不去的痛点，频繁地充电或更换电池而维持它们运行也就成为了一种常态。在另一方面，人体自身是一个能量携带者，在人体的生理活动和运动中有大量的能量被释放出来，若通过在人体上佩戴某种装置，把这些被释放的能量转换为电能，则可对人所携带的电子设备进行供电，从而可使一些便携式电子设备摆脱或部分摆脱频繁充电或更换电池的负担。迄今为止，众多研究者进行了多种佩带式发电装置的研究，这些发电装置有发电靴、发电背包、发电腕带和关节发装置等。其中，关节发电装置就是一种采集人体行走时关节所产生的机械能，并把之转换成电能而为各种用电器供电的装置。

需要指出的是，在关节发电装置使用过程中，由于使用者之间存在生理和体力差异，即便是同一使用者在不同时期也存在生理和体力差异，因此如何根据使用者的生理和体力状态来自动调整关节发电装置的输出功率，从而调整使用者为实现发电而付出的体力，以实现既不影响使用者的正常行走，又让关节发电装置尽可能输出更多的电能，成为了一个极具挑战性的技术课题。在此对能够自动地完成上述技术课题的关节发电装置称之为自适应型关节发电装置。

本发明根据人体行走过程中关节承受不同外加负荷时，关节运动控制肌群的松紧缩放变化程度所引起置于该处压力传感器的压力变化，来自动识别使用者不同的生理状态和所承受的外加负荷等级，从而自适应地控制关节发电装置的输出功率，以实现既不影响使用者的正常行走，又让关节发电装置尽可能输出更多的电能，因此是一种自适应型关节发电装置。

技术实现要素：

本发明提出一种基于人体关节运动的自适应型关节发电装置，该装置可以根据人体的生理或体力状态等级，自动地调整关节发电装置的输出功率，从而调整使用者为实现发电而付出的体力，以实现既不影响使用者的正常行走，又让关节发电装置尽可能输出更多的电能。该装置是由关节发电模块、调理电路、电能存储模块、微处理器、体力等级旋钮和关节运动肌群压力传感器组成，固定于人体关节部位，当关节运动时驱动该装置中关节发电模块发电，发电功率由微处理器自动地根据关节运动肌群压力传感器所采集的反馈信息来进行控制；关节发电模块与调理电路相连,向调理电路输出电能；调理电路又与电能存储模块相连，向电能存储模块输出电能；微处理器通过不同的接口分别与电能存储模块、体力等级旋钮、关节运动肌群压力传感器和关节发电模块相连，其中电能存储模块向微处理器提供其工作所需要的电能，体力等级旋钮向微处理器提供使用者的体力等级信息，关节运动肌群压力传感器向微处理器提供运动肌群压力信息，而微处理器依据所获得的体力等级信息和运动肌群压力信息，对关节发电模块与调理电路直接的mos管开关进行断开/闭合控制)；

所述的关节运动肌群压力传感器，采集关节运动肌群压力P的变化信息；

所述的体力等级β由该装置中体力等级旋钮来设定，不同β值大小对应不同的体力等级；

所述的关节发电模块与调理电路之间设置有mos管开关，mos管开关的闭合和断开由微处理器来控制；

所述的关节发电模块向外输出电能的功率由mos管开关的占空比来决定。

所述的一种自适应型关节发电装置按如下流程工作：首先设定使用者的体力等级；然后在自适应型关节发电装置输出功率为零的状态下，采集关节运动肌群压力信息，并由微处理器对关节运动肌群压力的基础值P₀进行校准，获得到校正系数α；随后通过微处理器递增mos管开关的占空比来递增自适应型关节发电装置的输出功率，并采集与之相对应的关节运动肌群压力信息P_a；当P_a≥αβP₀，停止递增自适应型关节发电装置的输出功率，自适应过程完成。

需要指出的是：本发明所提出一种基于人体关节运动的自适应型关节发电装置中，微处理器和关节运动肌群压力传感器工作所需的电能由关节发电模块所产生的电能来提供，整套装置实现自供电。

有益效果

本发明所提出的自适应型关节发电装置，能够根据使用者的生理和体力状态来自动调整关节发电装置的输出功率，从而调整使用者为实现发电而付出的体力，以保障使用者有较好的使用体验，实现既不影响使用者的正常行走，又让关节发电装置尽可能输出更多的电能。同时，本发明所提出的自适应型关节发电装置，使得具有同一款结构的装置，能够适应于各种不同体力的使用者使用，因此具有较好的普遍应用性。

附图说明

图1自适应型关节发电装置的结构示意图；

图2自适应过程的流程图；

图3自适应型关节发电装置中负载调节原理图；

图4自适应型关节发电装置中mos管开关的工作模式示意图；

图5自适应型关节发电装置的具体实施例；

图6关节发电盒；

图7自适应过程的运行图。

1-支架1，2-支架2，3-关节发电盒，4关节运动肌群压力传感器，5绑带。

具体实施方式

以下结合附图具体说明。

本具体实施方式中，该装置可以根据人体的生理或体力状态等级，自动地调整关节发电装置的输出功率，从而调整使用者为实现发电而付出的体力，以实现既不影响使用者的正常行走，又让关节发电装置尽可能输出更多的电能，该装置的结构示意图如图1所示。本发明所提出一种基于人体关节运动的自适应型关节发电装置中，使用者的体力等级β由该装置中体力等级旋钮来设定，不同β值大小对应于使用者不同的体力等级。如图2所示，在该装置中关节发电模块与调理电路之间设置有mos管开关，mos管开关的闭合和断开由微处理器来控制。如图3所示，mos管开关的闭合时间与总时间的比值定义为占空比，不同占空比状态对应于使用者不同的体力等级β值，进而对应于关节发电模块不同的输出功率。

本发明所提出一种基于人体关节运动的自适应型关节发电装置中，其自适应发电过程按图4所示流程进行：首先设定使用者的体力等级；然后在自适应型关节发电装置输出功率为零的状态下，采集关节运动肌群压力信息，并由微处理器对关节运动肌群压力的基础值P₀进行校准，获得到校正系数α；随后通过微处理器递增mos管开关的占空比来递增自适应型关节发电装置的输出功率，并采集与之相对应的关节运动肌群压力信息P_a；当P_a≥αβP₀，停止递增自适应型关节发电装置的输出功率，自适应过程完成。

具体实施例如图5所示，该装置是由1-支架1、2-支架2、3-关节发电盒、4-关节运动肌群压力传感器和5-绑带组成。如图6所示，其中3-关节发电盒是由关节发电模块、微处理器、体力等级旋钮、调理电路和电能存储单元组成。在使用时，通过1-支架1、2-支架2和5-绑带把该装置固定于人体关节部位，当关节运动时驱动3-关节发电盒中的关节发电模块发电，发电功率由微处理器自动地根据关节运动肌群压力传感器所采集的反馈信息来进行控制。

本具体实施方式中，在5-绑带内嵌入了关节运动肌群压力传感器，当关节运动时驱动关节运动的肌群的松紧缩放程度将发生变化，置于该处的关节运动肌群压力传感器将采集由此引起压力P变化的信息。此外，使用者的体力等级β由该装置中体力等级旋钮来设定，不同β值大小对应于使用者不同的体力等级。在该装置中关节发电模块与调理电路之间设置有mos管开关，mos管开关的闭合和断开由微处理器来控制。mos管开关的闭合时间与总时间的比值定义为占空比，不同占空比状态对应于使用者不同的体力等级β值，进而对应于关节发电模块不同的输出功率。

本具体实施方式中，其自适应发电过程按图7所示运行过程进行：首先设定使用者的体力等级β；然后在自适应型关节发电装置输出功率为零的状态下，采集使用者前n步的关节运动肌群压力信息P，然后对前n步的关节运动肌群压力信息P求平均值，接着基于该平均值通过微处理器对关节运动肌群压力的基础值P₀进行校准，获得到校正系数α；随后通过微处理器递增mos管开关的占空比来递增自适应型关节发电装置的输出功率，并采集与之相对应的L步的关节运动肌群压力信息P，并对L步的关节运动肌群压力信息P求平均值P_a；当P_a≥αβP₀，停止递增自适应型关节发电装置的输出功率，自适应过程完成。

本具体实施方式中，微处理器和关节运动肌群压力传感器工作所需的电能由关节发电模块所产生的电能来提供，整套装置实现自供电。