一种具备变速功能的齿轮机构电磁式足底振动能量采集器

本发明涉及振动能量采集技术领域，尤其涉及一种具备变速功能的齿轮机构电磁式足底振动能量采集器。

背景技术：

随着生活水平的提高，人们越来越关注自身的健康，同时监测机体健康和运动情况的足底传感网络也备受关注。目前是电池驱动这些设备工作，但是电池寿命有限，需要定期更换，无法实现“永久化”的长效运行模式。集成振动能量采集技术的足底传感网络，可以实现长期、免维护和实时的状况监测。振动能量采集技术借助压电、电磁、摩擦等转换机制将振动能转化为电能驱动无线传感网络正常运转。电磁式振动能量采集器具有低频性能好、发电量大、装置简单等特点，特别适合足底低频能量的收集。

现有电磁式足底采集器主要存在以下问题：在低频激励下如使用者缓慢行走时，输出功率不高，能量利用率低，且由于结构固定无法改变，不能调节不同激励下的输出功率，以适应不同的负载，无法满足实际中的需求，因此，现亟需一种具备变速调节功能的电磁式足底振动能量采集器。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术中的不足，旨在提供一种具备变速调节功能的电磁式足底振动能量采集器。

为达到上述目的，本发明是通过下述技术方案予以实现的：

一种具备变速功能的齿轮机构电磁式足底振动能量采集器，包括箱体，所述箱体内一角设置有穿出箱体底面的第一齿条，箱体从第一齿条一侧顺次设置有第一转轴和第二转轴，两个转轴的端部均与箱体转动连接，箱体在第二转轴一侧横向设置有第二齿条和驱动齿轮；所述第一齿条在箱体内的端面固定设置有与箱体顶部箱盖抵住的第一压簧；

所述第一转轴由第一齿条一侧顺次设置有随轴转动的第一齿轮、第二齿轮和第三齿轮，第一齿轮和第一齿条相啮合，第一转轴在第二齿轮和第三齿轮之间设置有外花键并啮合有具有内花键的套筒，第二齿轮和第三齿轮在朝向套筒的一端均设置有能与套筒相啮合的外花键；所述套筒的外周中部开设有环形的卡槽，卡槽内嵌有c型的换挡拨叉，换挡拨叉的拨动杆上固定设置有位于箱体内侧的定位板，定位板插设在箱体侧壁固定设置的u型定位槽内；

所述第二转轴上固定设置有第四齿轮、与第二齿轮相啮合的第五齿轮、与第三齿轮相啮合的第六齿轮，所述第四齿轮与第二齿条底端的齿纹相啮合；

所述第二齿条一侧贴合在箱体内壁，另一侧设置有齿纹并与驱动齿轮相啮合；所述驱动齿轮通过第三转轴与箱体转动连接，驱动齿轮的顶面设置有反对称的棘爪；所述第三转轴的顶端转动连接有棘轮，棘轮在朝向驱动齿轮的一端开设有与棘爪配合的内凹的齿纹；所述棘轮的外周固定设置有磁铁，箱体的内壁对应磁铁固定设置有与磁铁等高的线圈。

进一步的，所述拨动杆的端部滑动设置有调节块，箱体的侧壁开设有用于插设调节块的长孔且长孔的长度大于调节块，调节块与定位板之间固定设置有第一弹簧，调节块内侧的底端固定设置有凸块，长孔的底端开设有能够让凸块侧向插入的凹槽。

进一步的，所述凸块插入在凹槽内时，定位板与调节块之间的第一弹簧处于压缩状态。

进一步的，所述第二齿轮和第五齿轮的齿数均为20，第二齿轮和第五齿轮的传动比为1，所述第三齿轮的齿数为22，第六齿轮的齿数为18，第三齿轮和第六齿轮的传动比为0.818。

进一步的，所述棘爪与驱动齿轮转动连接，棘爪与第三转轴之间设置有使棘爪抵在棘轮内齿纹的第二弹簧。

进一步的，所述第一齿条与压缩状态下的压簧长度之和等于箱体内部的高度。

进一步的，所述第一转轴与第一齿轮之间通过平键连接，第一转轴在第一齿轮和第二齿轮之间夹设有推力轴承。

进一步的，所述磁铁由永磁铁或电磁铁构成矩形块状。

进一步的，所述线圈的线圈匝数为50。

相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：

本发明通过将能量采集器安装在鞋底，通过走路或跑步状态间歇性的下踩箱体，使穿出箱体底端的第一齿条与第一齿轮之间发生相对转动，进而连续驱动第一转轴、第二转轴、驱动齿轮，最终使棘轮外周的磁铁相对于箱体侧壁固定的线圈不停转动，保持高的磁通量变化速率，能够不断地产生电能，增加了输出功率，提高了能量的采集效率。而且套筒可同时与第二齿轮或第三齿轮配合，运用不同的传动比传动，可以实现变速功能，调节输出功率，改变能量转化效率，以适应不同的负载，满足实际中的需求。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为本发明中箱体内的俯视图；

图3为图2的侧视图；

图4为本发明中第一转轴的结构示意图；

图5为本发明中换挡拨叉的结构示意图；

图6为本发明中换挡拨叉与第一转轴的连接结构示意图；

图7为本发明中换挡拨叉与箱体侧壁的连接结构示意图；

图8为本发明中棘爪与驱动齿轮的连接结构示意图；

图9为本发明中棘爪与棘轮的配合结构示意图；

图10为本发明中第二齿条的结构示意图。

附图标记：

1-箱体，2-箱盖，3-第一齿条，4-第二齿条，5-第一转轴，6-第二转轴，7-驱动齿轮，8-压簧，9-套筒，10-卡槽，11-换挡拨叉，12-拨档杆，13-定位板，14-定位槽，15-第三转轴，16-棘爪，17-棘轮，18-磁铁，19-线圈，20-调节块，21-长孔，22-第一弹簧，23-凸块，24-凹槽，25-第二弹簧，51-第一齿轮，52-第二齿轮，53-第三齿轮，61-第四齿轮，62-第五齿轮，63-第六齿轮。

具体实施方式

下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

如图1至图10所示，一种具备变速功能的齿轮机构电磁式足底振动能量采集器，包括箱体1，所述箱体1内一角设置有穿出箱体1底面的第一齿条3，箱体1从第一齿条3一侧顺次设置有第一转轴5和第二转轴6，两个转轴的端部均与箱体1转动连接，箱体1在第二转轴6一侧横向设置有第二齿条4和驱动齿轮7；所述第一齿条3在箱体1内的端面固定设置有与箱体1顶部箱盖2抵住的压簧8。

所述第一转轴5由第一齿条3一侧顺次设置有随轴转动的第一齿轮51、第二齿轮52和第三齿轮53，第一齿轮51和第一齿条3相啮合，第一转轴5在第二齿轮52和第三齿轮53之间设置有外花键并啮合有具有内花键的套筒9，第二齿轮52和第三齿轮53在朝向套筒9的一端均设置有能与套筒9相啮合的外花键；所述套筒9的外周中部开设有环形的卡槽10，卡槽10内嵌有c型的换挡拨叉11，换挡拨叉11的拨动杆12上固定设置有位于箱体1内侧的定位板13，定位板13插设在箱体1侧壁固定设置的u型定位槽14内。

所述第二转轴6上固定设置有第四齿轮61、与第二齿轮52相啮合的第五齿轮62、与第三齿轮53相啮合的第六齿轮63，所述第四齿轮61与第二齿条4底端的齿纹相啮合。

所述第二齿条4一侧贴合在箱体1内壁，另一侧设置有齿纹并与驱动齿轮7相啮合；所述驱动齿轮7通过第三转轴15与箱体1转动连接，驱动齿轮7的顶面设置有反对称的棘爪16；所述第三转轴15的顶端转动连接有棘轮17，棘轮17在朝向驱动齿轮7的一端开设有与棘爪16配合的内凹的齿纹；所述棘轮17的外周固定设置有磁铁18，箱体1的内壁对应磁铁18固定设置有与磁铁18等高的线圈19；所述磁铁18由永磁铁或电磁铁构成矩形块状；所述线圈19的线圈匝数为50。

其中，所述第一齿条3与压缩状态下的压簧8长度之和等于箱体1内部的高度，能够保证在箱体1下压时第一齿条3可完全伸入至箱体1内部中。

如图5至图7所示，所述拨动杆12的端部滑动设置有调节块20，箱体1的侧壁开设有用于插设调节块20的长孔21且长孔21的长度大于调节块20，调节块20与定位板13之间固定设置有第一弹簧22，调节块20内侧的底端固定设置有凸块23，长孔21的底端开设有能够让凸块23侧向插入的凹槽24。本发明通过拨动杆12端部滑动的调节块20进行变速调节，通过向内按压调节块20压缩第一弹簧22，使调节块20底端的凸块23从凹槽24内移出，进而可横向推动调节块20使定位板13在u型的定位槽14内滑动，当凸块23调节到另一个凹槽的位置时，再停止按压调节块20利用第一弹簧22的弹力将凸块23压入凹槽24中，完成变速调节。所述凸块23插入在凹槽24内时，定位板13与调节块20之间的第一弹簧22处于压缩状态，能够让处于静态下的凸块23和凹槽24插合更加紧密。

所述第一转轴5与第一齿轮51之间通过平键连接，第一转轴5在第一齿轮51和第二齿轮52之间夹设有推力轴承。平键利于第一齿轮51的径向定位，推力轴承利于第一齿轮51和第二齿轮52的轴向定位，使第一齿轮51与第一齿条3、第二齿轮52与第五齿轮62啮合的更稳固。

如图8和图9所示，所述棘爪16与驱动齿轮7转动连接，棘爪16与第三转轴15之间设置有使棘爪16抵在棘轮17内齿纹的第二弹簧25。第二弹簧25能够将棘爪16抵在棘轮17内凹的齿纹内，反对称的两个棘爪17能够驱动棘轮17完成顺时针方向的转动，从而使棘轮17上固定的磁铁18可相对于箱体1侧壁的线圈19转动。

本发明通过将能量采集器安装在鞋底，箱体1内的线圈19与鞋上的无线网络传感器连通形成回路。通过走路或跑步状态间歇性的下踩箱体1，使穿出箱体1底端的第一齿条3与第一齿轮51之间发生相对转动，进而依次驱动第一转轴5、第二齿轮52、第五齿轮62、第二转轴6、第四齿轮61、第二齿条4、驱动齿轮7，由驱动齿轮7顶部的两个棘爪16驱动棘轮17转动。当人体运动状态处于抬脚时，第一齿条3顶部的压簧8通过自身的弹力将第一齿条3继续下压出箱体1的底端，进而依次反向驱动第一转轴5、第二齿轮52、第五齿轮62、第二转轴6、第四齿轮61、第二齿条4、驱动齿轮7。由于驱动齿轮7反向转动时，棘爪16不与棘轮17相啮合，磁铁18依旧以顺时针方向继续转动，再次下踩第一齿条3后，可再次对磁铁18施加转动速度。从而在下踩箱体1和抬脚的过程中都能使磁铁18在相对于线圈19的位置不停转动，保持高的磁通量变化速率，能够不断地产生电能，增加了输出功率，提高了能量的采集效率，不断的通过线圈19产生的电能为无线网络传感器供电。

本发明中的套筒9可同时与第二齿轮52或第三齿轮53配合，所述第二齿轮52和第五齿轮53的齿数均为20，第二齿轮52和第五齿轮62的传动比为1，所述第三齿轮53的齿数为22，第六齿轮63的齿数为18，第三齿轮53和第六齿轮63的传动比为0.818。当检测使用者为正常行走或运动状态时，足底无线传感网络能正常工作，无需改变传动比；当使用者行走过慢，达不到传感网络的所需输出，或是需要给其他微型电子设备充电时，选用较小的传动比就可实现需求。变速调节方式为按压推动调节块20，利用换挡拨叉11推动套筒9，使套筒9与第二齿轮52或第三齿轮53上相对于套筒设置的外花键啮合，从而改变能量转化效率，以适应不同的负载，满足实际中的需求。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。