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基于惯性的人体行走能量收集与移动电子供电技术研究 单庆晓1 章明沛1 陈权伟1 罗超2 1)国防科技大学机电工程与自动化学院 410073 2)92830 部队计量站 570203 摘 要 本文在总结现有人体能量收集技术的基础上， 提出了一种基于惯性的人体行走能量收集技术， 并试制了装置并进行了实验 该装置采用了可自由旋转的磁性惯性块和固定的多个线圈 当人体行走时， 惯性块旋转， 线圈切割磁力线产生电压产生的电压经处理后为电池充电，可延长的待机时间 关键词 惯性 人体 能量收集 供电1. 引言 随着信息技术的发展，出现了许多人体携带的电子设备，如移动通讯工具、个人数字助理、医学电子装置这些设备功率需求较小，一般为毫瓦级目前这些移动电子设备大多采用电池供电然而电池电量有限，当电池电量耗尽，设备也就无法使用以日常使用的为例，一般充一次电仅可使用 3—5 天频繁的充电为人类生活带来不便 由于电池带来的问题在各领域是广泛存在的植入人体的医学电子设备，由于电池能量的限制在数年后需从患者体内取出，给患者带来了巨大的痛苦士兵携带的作战电子设备如 GPS 仪、无线通讯装置一旦电池能量耗尽，就成了一堆废品，高科技带来的作战优势不复存在。

此外，废弃电池对环境造成重大污染电池已造成许多耕地遭重金属污染而对废弃电池的处理需要大量的社会资源 遗憾的是， 和信息电子技术日新月异的发展相比，电池技术的发展相对滞后有统计表明，对于笔记本电脑而言，自 1990 年以来，内存增加了 256 倍，磁盘容量增加了 4000 倍， 而电池的能量密度却增加了不到3 倍聪明的人类对电池这一世纪难题进行了一次又一次的攻关，然而，即使是目前公认的最有前途的燃料电池，离真正的实用（人体携带）还有很长的路要走 然而，人体本身就是一个能量的综合体有资料表明，对于一个体重 68 公斤的人而言，日常每餐进食得到51005. 1×焦耳的能量， 24 小时平均消耗的功率为 121W人体有很多能量可以利用，如人体的热能，化学能，动能 由此产生一种设想，利用人体自身的能量，通过某种装置转换为电能， 为携带的便携式装备提供能量由于目前电子设备的耗能很低，而人体的能量来源是不中断的，那么电子设备的基于人体供电是完全可能的 2. 国内外发展现状 人体能量收集与处理技术在国外得到广泛的重 视，美、日、韩等发达国家预见到这项技术的重要性 与可行性，正在大力进行研究而国内在这方面未引 起足够重视，未见正规科研机构在这方面的研究报 导。

IBM 公司专门为未来的人体计算机举办了多次研讨会， 其中一个重要的内容就是如何利用人体的能量研讨会对人体的能量消耗进行了详细的分析，认为人体的能量是完全可以满足计算机的要求[1] 在利用人体能量的方法中， 采用惯性能量的方法是最为古老的该方法被广泛应用于手表上，通过利用日常行为中人的移动和手的运动获得能量[2][3]香港中文大学采用纳米技术， 研究了一台微型发电机来为传感器提供电源，该发电机放在冰箱上，即可利用冰箱的微小震动为传感器持续供电 法国科研人员发明了一种“人体电池” ，即能把身体运动产生的能量转化成电能的微型装置 该装置目前主要用于人体内医疗装置的供电[4] 在利用人体能量上，最为人所注意的为足部因为人行走时足部动作比较规则，能量应用潜力大美国相关专利有多项， 归结起来主要有电磁传动发电和压电材料发电两种方法 电磁传动发电一般采用机械传动、液压和气动这三种方法，带动电磁发电机构运转专利[5]在鞋底设置齿轮传动机构，将足底向下的动能转换为旋转能量，再带动电磁发电机产生电能专利[6]在鞋底和鞋尖设置两个液压腔，在液压腔相连处设置涡轮， 人行走时液体流动带动涡轮旋转从而带动发电机。

专利[7]采用气动的方法，在鞋子内部设置一个具有适合压缩空气的入口和出口的闭合回路作为气动发电机的定子， 转子为一个可自由运动、无机械上约束、具有磁场耦合的运动块发电原理基于一种互动的空气运动， 采用穿梭阀控制压缩气体进口和出口的开通和关闭 电磁传动发电的方法由于采用了较多的传动环节，液压、气动的方法又有泄漏问题，结构复杂，成本高，由于足底运动的频繁和随意性，电磁传动发电的方法可靠性较低美国麻省理工大学研制的电磁机构在 2Hz 步行情况下可达到250mW 的平均功率，然而在使用几小时后某一传动轴就发生断裂[8]韩国海洋大学研制出一种步行充电器，可利用人体步行为电池充电 此外还有利用压电材料将机械能转换为电能 [9][10][11][12] 麻省理工大学将 8 层压电材料 PVDF 做成鞋垫，利用该鞋垫在 2HZ 的步行频率下可获得 0.6mW 的平均功率，当压电材料为 PZT 时，功率则达 到 5mW该鞋垫可为一微型射频发生器供电[13]美 国一家公司研制了一种在鞋底加入了压电陶瓷的溜冰 鞋，当人溜冰时压电陶瓷产生电能，点亮安装在鞋上 的发光管[14]这是人体发电方法唯一进入商业市场 的产品。

美国 DARPA 研究中心和 SRI 团队研制了一种 电化激活的聚合物，该聚合物的主要成分为硅胶和丙 烯酸，具有较高的能量转换率，理论上可达 1.5J/g 聚合物做成鞋垫，如每一步压缩 3 毫米，可得到 0.8J 的能量，以每秒 2 步的速率产生 0.8W 功率实验还证 明了该聚合物至少可被压缩 10 万次[15] 采用热电效应，利用人体与外界的温差也可产生电能[16]美国 Biophan 技术公司开发了生物热电池来对人体内的心脏起搏器进行充电，该热电池是一块嵌有数千个由碲化铋半导体制成的热电发生器的移植芯片 该公司计划制造大小为 2． 5 平方厘米的微芯片，能产生 4 伏电压，输送功率为 100 微瓦该装置将心脏起搏器电池使用寿命由目前的 10 年延长至 30 年[17] 3. 基于惯性的足部能量收集装置原理与设计 足部是能量收集较好的地方在国外所作的研究中，均利用足部的压迫能然而，在利用压迫行为时，装置受到机械疲劳磨损，由于人运动的随意性，如跑、跳，容易导致装置的损坏此外，利用压迫则必须将装置植入鞋跟，这对装置的体积与重量提出较高的要求，还将对人的运动产生不适本文提出了一种基于惯性运动产生能量的装置，该装置装在足部，吸收足部运动时的惯性能量，可以放在足部的任意位置，无需植入鞋底。

3.1 原理简介 该装置的示意如图所示： 图 1 基于惯性的能量收集装置示意图 该装置的核心部分为可自由旋转的惯性块，在该惯性块上安装有稀土永磁铁惯性块包括上下两面，两面均装有永磁铁以加强内部磁场中间采用印制电路板，板上装有采用漆包线绕制线圈，线圈的骨架中装有磁性材料当人行走时，足部将产生频繁的加减速运动，带动惯性块运动，当永磁铁与磁性材料对齐时，线圈中得到最大磁通当未对齐时，磁通衰减惯性块上镶有四块永磁铁，如图 3 所示惯性块运动一周，线圈中的磁通改变四次，线圈中将产生感应电压 图 2 电磁耦合示意图 图 3 惯性转子的前视图 为充分利用惯性的能量， 在印制板上等 60 度间隔放置线圈，如图 4 所示将圆周摊成一条直线，则线圈与磁铁的布置如图 5 所示当磁铁旋转 360 度，线圈 1中磁通与感应电动势如图 5 所示单个线圈的感应电动势dtdNUΦ=，线圈采用串联方法，则总的输出电压为脉动方波，幅值为 2U，如图 5 所示设磁铁恒速旋转，角速度为w，则输出电压的频率为π/6w 060图 4 定子上等角度分布的 6 个线圈 4. 实验与结论 4.1 足部运动分析 左脚右脚右脚左脚右脚右脚2.12m/s右脚速度 人体平均速度1.5m/sv0t2.12m/s右脚速度2.12m/s右脚速度 人体平均速度1.5m/s人体平均速度人体平均速度1.5m/sv0tv0t图 6 足部运动分析 如人人以 2HZ 频率步行，每步 0.75 米,则人体平均速度 1.5m/s， 足部速度在 0~2.12m/s 之间变化。

如惯性块的质量为0.2Kg,假设每次步行速度从0-2.12m/s-0,那么每次步行单个惯性块吸收的能量为 JmvE448. 012. 22 . 021 2122=××== 设步行速度为 2Hz, 则每秒双足各走一步， 两个惯性块吸收的能量之和为 0.896J，输出功率为 0.896W根据上述原理试制了可装在足部的惯性能量收集装置，该装置安装在足部，如图 7 所示该装置将吸收人行走时足部频繁加减速的能量 图 7 安装在足部的惯性能量收集装置 图 5 转子旋转一周线圈产生的电压 4.2 实验结果 实验中测试到单个线圈输出的电压波形如图 8 所示，由于总的输出电压是一个交变电压，而电子设备通常只需要直流电因此将电压整流后，采用电源处理芯片 NCP1402 将输出电压稳定， 电能的处理电路如图 9 所示该电路在输入电压为 0.8V 即可工作，为降 低损耗，整流二极管采用 IN5819 肖特基二极管对该电路进行了损耗测试， 在电路空载时， 当输入电压 2V，输入电流为 0.46mA， 因此该电路空载损耗为 0.92mW 图 8 单个线圈的输出电压波形 图 9 采用 NCP1402 的电能处理电路 图 10 线圈串联后的输出电压 将 6 个线圈串联后输出电压如图 10 所示， 由于线圈有寄生电感，输出电压平滑了许多。

该电压通过图9 所示的电路变换后为电池充电对康佳 KC88 进行了充电实验，将能量收集装置放在足部，每日步行 1 小时，待机时间可由原来的 72 小时增加至 90小时 4.3 结论 在传统的化学电池面临困境的情况下，本文对于如何利用人自身能量进行了有益的探索研究内容对于推广便携式电子设备的使用，使人摆脱对有限电能电池的依赖和改善人类生存环境具有重要意义，充分体现了科技以人为本的理念人自身能量具有广泛的利用前景，如该方面的研究获得重大突破，则将极大促进移动电子技术的发展， 促进信息电子与人的结合，真正实现人自身的信息化 参考文献 [1]T.Starner, human-powered wearable computing, IBM System Journal, vol35.NOS3&4,1996 [2]A.Chapuis and E.Jaquet. The History of the self-winding watch.Roto-Sadag S.A.,Geneva [3]J.J. Tiemann. 5,578,877:Apparatus for converting vibratory motion to electrical energy. US Patent, Nov 26 1996 [4] [5]Shi-Hui Chen, 5,167,082: Dynamoelectric Shoes. US Patent, Dec 1 1992 [6]Norman Landry, 6,201,314: Shoe sole with liquid-powered electric generator. US Patent, Mar 13 2001 [7]Musoke H.Sendaula, 6,182,378: Low profile pneumatic electric generator integrated in a midsole of a shoe. US Patent, Feb 6 2001 [8]John.Kymissis, Parasitic Power Harvesting in Shoes, proceeding of Second IEEE conference on wearable computing.Aug,1998 [9] 张传忠， “压电材料的发展及应用”[J]，压电与声光，Vol.15,N。