人体腿部运动能量收集系统及收集方法
【技术领域】
[0001]本发明属于运动能量收集技术领域，尤其是涉及人体腿部运动能量收集系统及收集方法。
【背景技术】
[0002]作为我们生活环境中最常见的能量形式之一的生物运动能是由人体或其他动物在步行、奔跑等运动时所产生的，这些能量往往很难被收集利用而耗散在外部环境之中，白白浪费掉。如果这种形式的能量能够被收集储存并有效利用，其将替代我们现在所依赖的便携式电源，可以为手机等便携电子设备充电，方便了人们的出行。由于人体腿部在步行、奔跑等过程中时刻处于周期往复摆动状态，其运动历程比人体其他关节的运动时间长，含有的运动能量较多，而且小腿在运动过程比较平稳、可预测性强、运动力矩大，基于以上这些优点，在人体膝关节处收集腿部的运动能量是最佳之选，在收集运动能量时为了尽量减少人体的不适感，开发一种结构紧凑、效率高、重量轻的人体腿部运动能量收集系统具有重要的实际应用价值。
【发明内容】
[0003]本发明目的是为解决人体在步行、奔跑等运动时腿部运动能量收集难的问题，而提供了一种体腿部运动能量收集装置及收集方法，其在解决腿部运动能量收集难题的同时还解决了能量选择性收集的问题。
[0004]本发明为解决上述问题所采取的技术方案是:
人体腿部运动能量收集系统，包括人体腿部运动能量收集装置、储能模块和电能管理模块；
所述人体腿部运动能量收集装置包括外壳、所述外壳上固定有发电机和电位计，所述发电机的转子上固定有工作齿轮，在外壳的内侧底部转动连接有第一转轴，所述第一转轴上固定有摆杆和扇形齿轮，所述摆杆自由端位于外壳的外侧，所述扇形齿轮位于外壳的内侦牝所述电位计的角度滑动片与摆杆固定连接，在扇形齿轮和工作齿轮之间设有用于加速的齿轮变速箱；
所述储能模块包括超级电容和锂电池，所述超级电容和锂电池用于收集所述人体腿部运动能量收集装置输出的电能，发电机通过数字开关与超级电容连接，超级电容与锂电池连接；
所述电能管理模块包括微控制器、自适应前端适配电路和节能管理电路，所述微控制器用于控制所述数字开关的通断；所述自适应前端适配电路为最大功率点跟踪器及外围电路；所述节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗:发电机通过数字开关与最大功率点跟踪器及外围电路连接，最大功率点跟踪器及外围电路与超级电容连接，微控制器与数字开关连接，节能管理电路与微处理器、数字开关、超级电容、锂电池和最大功率点跟踪器及外围电路和连接。
[0005]所述的微控制器在控制所述数字开关的通断时，首先获取电位计测得的摆杆的角度值，并对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值；然后，微控制器判断摆杆的角度值是否大于90°?120°，并判断摆杆的角速度值是否在60° /s?100° /s的范围内，若摆杆的角度值大于90°?120°且摆杆的角速度值在60 ° /s?100° /s的范围内则微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电，否则微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电。
[0006]所述的微控制器还用于当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制。
[0007]所述的微控制器在获取预设的数字开关的接通时刻和关断时刻时，首先对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t ;然后，微控制器根据时间段t内发电机的接通和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值tl和关断时刻的预设值t2 ;最后，当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，微控制器利用拟合得到的接通时刻和关断时刻的预设值实现对数字开关接通和关断的正常控制。
[0008]所述齿轮变速箱包括第二转轴、第三转轴，所述第二转轴和第三转轴均与外壳转动连接，所述第二转轴上固定有第一小齿轮和第一大齿轮，所述第三转轴上固定有第二小齿轮和第二大齿轮，所述第一小齿轮直径小于第一大齿轮直径，所述第一大齿轮直径大于第二小齿轮直径，所述第二小齿轮直径小于第二大齿轮直径，所述第二大齿轮直径大于工作齿轮直径，所述扇形齿轮与第一小齿轮啮合连接，所述第一大齿轮与第二小齿轮啮合连接，所述第二大齿轮与工作齿轮啮合连接。
[0009]在所述第二转轴与第一小齿轮之间或第二转轴与第一大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
[0010]在所述第三转轴与第二小齿轮之间或第三转轴与第二大齿轮之间安装有滚柱轴承离合器。
[0011]在所述扇形齿轮与第一转轴之间安装有滚柱轴承离合器。
[0012]—种利用人体腿部运动能量收集系统的人体腿部运动能量收集方法，包括以下步骤:
a.判断电位计能否获得摆杆的角度值，若可以判断进入步骤b，否则进入步骤c;
b.微控制器获取电位计测得的摆杆的角度值，判断微控制器能否求得摆杆的角速度值，若可以微控制器对摆杆的角度值进行微分求得摆杆的角速度值，进入步骤d，否则进入步骤c ；
C.微控制器通过预设的数字开关的接通时刻和关断时刻实现对数字开关接通和关断的正常控制，进入步骤a;
d.判断摆杆的角度值是否大于90°?120°，并判断摆杆的角速度值是否在60°/s?100 0 /s的范围内，若摆杆的角度值大于90°?120°且摆杆的角速度值在60 ° /s?100 0/s的范围内，进入步骤e，否则进入步骤f;
e.微控制器接通数字开关，发电机给超级电容充电，进入步骤a;
f.微控制器关断数字开关，发电机停止给超级电容充电，进入步骤a。
[0013]所述的步骤c中数字开关的接通时刻预设值和关断时刻预设值的获取步骤如下: Cl.微控制器对使用者小腿运动过程中从小腿开始下落摆动到脚落地这段时间进行计，记为t ；
c2.微控制器根据时间段t内发电机的接通时刻和关断时刻拟合出数字开关在每个时间段t内的接通时刻的预设值tl和关断时刻的预设值t2。
[0014]本发明所具有的有益效果为:经过齿轮变速箱的加速作用将人体行走时的大扭矩低转速运动能转化成小扭矩高转速的机械能，从而变成了发电机能够利用的能量形式，通过在转轴与齿轮之间安装滚柱轴承离合器和电位计并利用微控制器对发电机绕组的精确控制，实现了对运动能量收集的有效选择，在小腿下落阶段进行能量的收集，收集电能时不需要人体额外做功，最大程度上保证了人体的舒适度；本发明在发电机与超级电容之间设置有最大功率点跟踪器，最大程度的收集发电机产生的电能；本发明采用超级电容和锂电池的二级存储架构，减少锂电池的充电次数，并在超级电容和锂电池之间设置有充电保护电路，延长了锂电池的使用寿命；本发明还设置有节能管理电路用于减少人体腿部运动能量收集系统本身的电能消耗；最后本装置在遵循人机工学设计要求的同时选择合适的材料，其整体结构比较紧凑，使用寿命比较长。
[0015]本发明结合电位计测得的摆杆的角度值与计算得到的摆杆的角速度值来判断当前位置信息，进而控制数字开关的通断，控制结果更加精确。
[0016]当电位计无法测得角度值或微控制器无法进行比较时，本发明根据拟合得到的数字开关在每个周期内的接通时刻和关断时刻可实现对数字开关接通和关断的正常控制。
[0017]本发明还设置有负载驱动电路，可满足负载瞬时大电流、大功率的要求。
【附图说明】
[0018]图1为本发明中人体腿部运动能量收