一种关节式便携可穿戴的能量收集装置及方法

摘要

本发明的目的是提供一种人体行走运动的便捷式、可穿戴能量收集装置，针对人体弯曲活动关节如肘与膝盖等的能量收集，可应用于手机、ipad等外部设备的充电。该装置包含发电模块、传动模块、连接固定模块、储电模块。装置外部采用柔质弹性外壳，内部包含多级机构，各级结构通过弹性细绳相连，充分保证装置发电的稳定性与持续性。当受外力时，传动模块中弹性细绳根据外力大小向两端伸缩，带动内部拨片拨动四周的发电片，发电片受力发生形变进而发电；各级机构也可自身产生形变进而发电。本装置体积小、质量轻、携带方便、成本低廉、节约能源、绿色环保、应用性强、社会效益深远。

权利要求

1.一种关节式可穿戴能量收集装置，其特征在于：包含了发电模块、传动模块、连接固定模块、储电模块，发电模块包含弹性外壳、发电片、弹性夹层、拨片，传动模块包含弹性细绳、弹性压力敏感元件、转轴，连接固定模块包含连接导线、柔性连带、有线充电接口、卡槽、固定贴片；弹性外壳置于最外层，在其内部顶端设置一排弹性压力敏感元件，保证所受外力传递到发电片处时，损失最小，敏感元件下接弹性夹层一，夹层一内部上下两端设置能安装多层发电片的卡槽，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片，用固定贴片进行固定，在弹性外壳外部两侧设置两个弹性夹层二，两侧夹层通过柔性连带相连，夹层二内部四周设置多个发电片；中间水平设置一转轴，弹性细绳固定在转轴中间位置，细绳两端引出，转轴两端设置拨片，当受到外力时，细绳两端拉伸，带动转轴转动，拨片随转轴运动，拨打夹层二内部四周的发电片，发电片发生形变进而发电，弹性外壳的底部设置一排弹性压力敏感元件，上接弹性夹层三，夹层三内上下两端设置能安装多层发电片的卡槽，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片，用固定贴片进行固定，当受力时，各级机构在弹性压力敏感元件传递作用下，发电片自身产生振动形变进而发电；

弹性外壳内部各个弹性夹层需通过弹性细绳以及导线进行相连，保证多级结构中每一部分既能单独受力产生形变发电，又能相互牵动发电，保证装置发电的稳定性与持续性；整个装置所用材料应具有一定的柔韧性和伸缩性，当受力时，弹性外壳以及各级弹性夹层在自由伸缩的同时带动发电片发生形变，所以弹性外壳采用柔性材质，既保证穿戴的舒适性，又不影响内部结构工作效果；装置在进行发电后，需要有储电装置，含有发电片的各级弹性夹层通过导线相连，汇集到一储电模块处；在弹性外壳上设置有线充电接口，可以通过接口为外部设备进行供电。

说明书

一种关节式便携可穿戴的能量收集装置及方法

技术领域

[0001] 本发明涉及到一种可穿戴能量收集装置，具体来说是一种针对人体膝盖与肘部弯曲运动的便捷式可穿戴能量收集装置。

背景技术

[0002] 随着全球能源问题的日益严峻，能量的收集与高效利用问题是当前的热点。自然界中存在大量的天然能量，如何将其高效的收集与利用是当前面临的关键技术问题。可穿
戴器件是近年类兴起的一种新型的绿色电子装备，这种可穿戴的特性使得其服务于人类生
活的各个方面，如可穿戴眼镜、可穿戴皮肤等，具有重要的应用潜能。

[0003] 除了自然界中的天然能源外，人体运动(行走与跑步)过程中，肘部与膝盖等关节的发生频繁的弯曲摆动，每个人一天中平均能够走大约5000步，这使得大量的机械能被浪
费。同时，考虑到日益频繁各类外部设备的充放电的使用，大量的能量被应用于各类外部设
备的充电，增加使用成本且一些充电设备也造成污染问题。因此，将人体运动的能量直接利
用，研究一种便捷式的可穿戴能量收集装置及方法对人体运动的机械能进行收集，并将这
种收集的能量服务于外部的设备充电，对于解决当前的能源危机，实现能量的高效利用，解
决存在的污染隐患，具有广泛的应用潜力与深远的社会效益。

发明内容

[0004] 本发明的目的是提供一种针对人体膝盖与肘部弯曲运动的且可应用于外部设备充电的便捷式、成本低廉、节约能源、绿色环保、应用广泛的可穿戴能量收集装置。

[0005] 本发明是一种可穿戴环保型能量收集装置，其特征在于：包含了发电模块、传动模块、连接固定模块。发电模块包含弹性外壳、发电片、弹性夹层、拨片；传动模块包含弹性细
绳、弹性压力敏感元件、转轴；连接固定模块包含连接导线、柔性连带、有线充电接口、卡槽、
固定贴片。具体来说：弹性外壳位于最外层，用于放置各级结构，采用柔性敏感材质，既保证
穿戴的舒适性，又确保所受外力传递到内部结构时损耗最小。在弹性外壳内部，可以分为
上、中、下三级结构，顶端设置一排弹性压力敏感元件，下接弹性夹层一，夹层一内部上下两
端设置能安装多层发电片的卡槽，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片，用固定
贴片进行固定。在弹性外壳外部两侧设置两个弹性夹层二，两侧夹层通过柔性连带相连，夹
层二内部四周设置合适尺寸的发电片；中间竖直设置一转轴，弹性细绳固定在转轴中间位
置，细绳两端引出；转轴两端设有拨片，当受到外力时，细绳两端拉伸，带动转轴转动，拨片
随转轴做往返运动，拨打四周的发电片，发电片发生形变进而发电。底部和顶端结构相似，
底部设置一排弹性压力敏感元件，上接弹性夹层三，夹层三内上下两端设置能安装多层发
电片的卡槽，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片，用固定贴片进行固定。当受力
时，各级机构在弹性压力敏感元件传递作用下，发电片自身振动产生形变进而发电。

[0006] 本发明还包括储电模块。储电模块位于弹性外壳外部，各级弹性夹层单独通过导线与之相连，汇集到储电模块处；此外，在弹性外壳上设置有线充电接口，可以通过接口为
外部设备进行供电，通过两种不同方式，保证电力的合理使用。需要注意，储电模块是采用
生物质离子型纳米压电发电片制成的微型装置，降低整体装置的重量和体积。

[0007] 在实际使用时，使用者可将本发明穿戴于手臂、腿部任何部位，其中关节部位效果最佳。当穿戴者正常行走时，弹性外壳受力带动内部各级结构运动。其中在上、下两端弹性
压力敏感元件的过渡放大作用下，弹性夹层一、三带动里面的发电片运动，产生形变进而发
电；当受力时，两侧弹性夹层二细绳两端拉伸，带动转轴转动，拨片随转轴运动，拨打四周的
发电片，发电片发生形变进而发电。弹性夹层二两端引出的弹性细绳与弹性夹层一、三相
连，保证各级结构可相互牵动，确保装置的稳定性；此外，夹层一、三内部多排发电片的设
置，保证了装置的持续性与高效性。

[0008] 本发明的优势在于：①本发明体积小、质量轻、携带方便、适用场合广泛；②本发明造价较低，成本相对低廉，使用的生物质材料绿色环保、无污染，区别于传统的发电形式是
一种新型绿色的发电途径；③本发明适用于人体的膝盖与肘部关节，高效收集与利用人体
运动的机械能，节约能源；④本发明内部多级结构相连，以及多层卡槽的设置，保证装置发
电的稳定性与可靠性；⑤本发明设有储电模块，外部设置有线充电接口，传导方式多样，能
量传导便捷；⑥本发明的应用性强，方便更换零部件，适合大批量生产及使用，社会效益深
远。

附图说明

[0009] 图1是振动发电模块结构示意图；

[0010] 图2是转轴发电模块结构示意图；

[0011] 图3是发电片的结构示意图；

[0012] 图4是传动模块结构示意图；

[0013] 图5是储电模块及线路构示意图；

[0014] 图6是本发明的总体结构示意图。

具体实施方式

[0015] 下面结合结构示意图通过具体实施方式对本发明进行说明。

[0016] 如下图1～6所示，本发明主要包含发电模块I、传动模块II、连接固定模块III、储电模块IV。发电模块是整个装置的核心部分，用于产生电能，主要包含弹性外壳、发电片、弹
性夹层、拨片；传动模块负责外力的传送以及各级结构间的相互牵动，包含弹性细绳、弹性
压力敏感元件、转轴；连接固定模块用于装置各部分的衔接与固定，包含连接导线、柔性连
带、有线充电接口、卡槽、固定贴片；储电模块用于储存装置产生的电能，采用新型智能材料
制成的微型装置，降低整体装置的重量和体积。

[0017] 一种可穿戴环保型能量收集装置，结合图1、2、3、6，发电模块I主要包含发电片1、弹性外壳2、拨片3、弹性夹层11。弹性外壳2位于装置最外层，用于存放各级结构。弹性夹层
11位于其内部，三个弹性夹层依次上下放置；弹性夹层一、三位于上下两端，夹层一、三内部
上下两端设置能安装多层发电片的卡槽6，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片
1，用固定贴片14进行固定；在弹性外壳2外部两侧设置两个弹性夹层二，两侧夹层通过柔性
连带13相连，夹层二内部四周设置多个合适尺寸的发电片1；拨片3竖直位于弹性夹层二正
中间。弹性外壳2和弹性夹层11采用柔性敏感材质，既保证穿戴的舒适性，又确保所受外力
传递到内部结构时损耗最小。

[0018] 一种可穿戴环保型能量收集装置，其发电模块I工作原理：

[0019] 本发明中，发电模块是整个装置的核心部分，用于产生电能，主要包含发电片1、弹性外壳2、拨片3、弹性夹层11。弹性外壳2和弹性夹层11均采用柔性敏感材质。当受力时，弹
性外壳2带动内部各级结构运动，产生一定形变发电。具体来说，在实际使用时，使用者可将
本发明穿戴于手臂、腿部任何部位，其中关节部位效果最佳。当穿戴者正常行走时，两侧夹
层二弹性细绳5两端拉伸，带动转轴4转动，拨片3随转轴运动，拨打四周的发电片1，发电片1
发生形变进而发电。此外，在上、下两端弹性压力敏感元件的过渡放大作用下，弹性夹层一、
三带动里面的发电片1运动，发电片1发生形变进而发电。需要注意，弹性夹层一、三位于弹
性外壳2的顶端和底部，两者内部上下两端设置能安装多层发电片的卡槽6，每一层次按序
列放置一定数量同尺寸的发电片1，重叠放置多层，用固定贴片14进行固定，做到无缝连接，
铺满整个夹层，各层发电片1既可单独进行工作，又能同时驱动工作；弹性夹层二里面放置
合适尺寸的发电片1，单层贴在夹层二的内部四周。

[0020] 一种可穿戴环保型能量收集装置，结合图4、6，传动模块II主要包含弹性压力敏感元件9、转轴4、弹性细绳5。弹性压力敏感元件9位于弹性外壳2内部的顶端和底部处，转轴4
竖直位于弹性夹层二的正中间，弹性细绳5缠绕于转轴4的中央，其两端引出。

[0021] 一种可穿戴环保型能量收集装置，其传动模块II工作原理：

[0022] 本发明中，传动模块是不可或缺的一部分，负责外力的传送以及各级结构间的相互牵动，主要包含弹性压力敏感元件、转轴、弹性细绳。在弹性外壳2内部，其顶端和底部设
置一排弹性压力敏感元件9，其能够感知力微小变化，主要起过渡和减低损耗作用。当受力
时，弹性压力敏感元件9保证传递到各级弹性夹层处的力损失最小，进而保证发电片1的形
变量足够大，产生电能足够多。转轴4竖直固定于弹性夹层二中，既可以起到一定的支撑稳
固作用，又起到一定传动作用；弹性细绳5缠绕于转轴4的中央，其两端引出，一端上接弹性
夹层一、另一端下接弹性夹层二。当受力时，弹性细绳5两端拉伸，带动转轴4转动，拨片3随
转轴4运动，拨打四周的发电片1，发电片1发生形变进而发电。本装置中，弹性夹层二两端引
出的弹性细绳5与弹性夹层一、三相连，保证各级结构可相互牵动，各级弹性夹层既可独立
工作发电，也可相互带动工作，确保装置的稳定性与高效性。

[0023] 一种可穿戴环保型能量收集装置，结合图2、6，连接固定模块III主要包含连接导线8、有线充电接口10、固定绳12、固定贴片14、柔性连带13、卡槽6。连接导线8位于各级弹性
夹层11与储电模块IV中间；有线充电接口10设置在弹性外壳2外部表面处，采用最常见的
micro‑USB接口；固定贴片14位于弹性外壳2、弹性夹层11的封装口处，以及转轴4的固定接
口处和发电片1的衔接处；在两个弹性夹层二中间，设置柔性连带13，用于两部分的连接，保
证其相互牵动。并在两个弹性夹层二处设置固定绳12进行固定；在每一弹性夹层11中放置
卡槽6，其采用多槽结构，可以放置多层发电片1，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发
电片1，用固定贴片14进行固定。

[0024] 一种可穿戴环保型能量收集装置，其连接固定模块III工作原理：

[0025] 本发明中，连接固定模块是极其重要的一部分，用于装置各级结构的衔接与固定，主要包含连接导线、柔性连带、有线充电接口、卡槽、固定贴片。各级弹性夹层11通过连接导
线8与储电模块IV相连，既进行电力的传输，又用于发电模块与其他模块的连接。此外，在弹
性外壳2上设置有线充电接口10，可以通过接口为外部设备进行供电，接口类型采用最常见
的micro‑USB接口，使用者可根据自身需要配备接口转换器。弹性外壳2和各级弹性夹层11
的封装接口处，用固定贴片14进行封装，保证整个装置的衔接性；转轴4竖直设置在弹性夹
层二中，通过固定贴片14固定在正中间位置，既起到一定的支撑装置作用，又可以带动拨片
3运动，进而起一定的传动作用。柔性连带13用于连接弹性外壳外部两侧的两个弹性夹层
二，既保证穿戴的舒适性，又确保两侧结构能同时工作，保证装置的稳定性。固定绳12用来
固定两侧的弹性夹层二。卡槽6位于弹性夹层一、三内部的上下两端，采用多槽结构，可以放
置多层发电片1，每一层次按序列放置一定数量同尺寸的发电片1，用固定贴片14进行固定，
做到无缝连铺满整个夹层，各层发电片1既可单独进行工作，又能同时驱动工作，保证了装
置的可靠性与高效性。

[0026] 一种可穿戴环保型能量收集装置，结合图5、6，储电模块IV位于弹性外壳2的外部，用于内部储存装置产生的电能。对于本发明，在弹性外壳2上设置有线充电接口10，装置可
以直接通过接口为外部设备进行供电。通过采用直接供电和内部储电两种不同方式，保证
电力的合理使用。需要注意，储电元件7是采用新型智能材料制成的微型装置，降低整体装
置的重量和体积。