[0001] 本发明属于人体能量收集技术领域，具体涉及一种压电电磁混合式人体俘能器。

[0002] 随着科技发展，越来越多的电子设备出现在人们生活中，集成电路与低功耗技术的融合，使得电子设备所需的功耗逐渐降低；而且，与人体相关的一些设备，如：智能服装、人工关节、身体健康监测装置等，则更是需要稳定可靠的能量来源来维持装置和系统的运行。然而，由于传统的化学电池在一些情况下存在寿命限制、更换不便、污染环境等问题，从而致使供电方面的需求也朝着可持续、自供电、无污染的方向发展。

[0003] 目前，能量收集技术的发展为我们提供了一类新的供电形式的来源。按照工作原理的不同，能量收集技术可分为静电式、压电式、电磁感应式、磁致伸缩式；进而通过能量转换原理将环境中的发光、发热、振动等不同现象产生的能量，运用以上技术转换成电能进而储存或利用。同时，越来越多的研究人员也逐渐把能量收集技术应用到人体自身所产生的振动上面，将其收集并应用于一些特殊情况下的自供电设备，进而实现可穿戴设备的正常使用。但是，由于单一的能量收集形式有时难以满足设备运行所需的功率，只有当激振频率和系统的固有频率匹配时，才能够使输出性能达到最高，且人体运动的频率通常在3Hz以下，无法实现设备与激励频率的共振。故有必要对现有技术的人体低频振动的能量收集方式和装置进行改进。

[0025] 根据图1～8详细说明本发明的具体结构。该压电电磁混合式人体俘能器包括腰部固定架1，腰部固定架1由形状与使用者腰部相匹配的腰部弧形架体14构成，腰部弧形架体14的中部设置有调节杆连接卡槽15，调节杆连接卡槽15内活动设置有位置调节连杆2；调节杆连接卡槽15内以及位置调节连杆2上，还分别相应设置有调位连接孔16。腰部弧形架体14上设置有若干组腰部绷带穿孔17（如图3中的上部结构所示）。进而，利用布置在腰部绷带穿孔17内的腰部绷带，将腰部弧形架体14固定在使用者的腰部位置，并通过位置调节连杆2与调节杆连接卡槽15内相应调位连接孔16的对位连接，来调节腰部固定架1与俘能器内侧组体4之间的距离，方便装置使用。

[0026] 位置调节连杆2的下端部与俘能器内侧组体4相连，俘能器内侧组体4的外侧固定设置有俘能器外侧组体5，且俘能器外侧组体5和俘能器内侧组体4之间设置有俘能转子11和馈能单元12。俘能器外侧组体5的外侧，还活动设置有俘能驱动摆臂6，俘能驱动摆臂6与俘能转子11的驱动端相连（如图1、图2和图3所示）。

[0027] 俘能驱动摆臂6由摆臂主体37构成，摆臂主体37与俘能转子11中部的转子主体39固定相连，且转子主体39与俘能器外侧组体5之间设置有转动轴承13。转子主体39上均布有若干组（例如：可以是四组）转子悬臂梁41，转子悬臂梁41的一端通过L型连接夹板40与转子主体39相连，转子悬臂梁41的另外一端则分别设置有转子永磁体42（如图7所示）。摆臂主体37的一端还设置有长连杆铰接座38，长连杆铰接座38通过长连杆连接头7与其上设置有腿部固定架8的长连接杆9的端部相连。从而，通过设置在长连接杆9上的腿部固定架8来驱使俘能驱动摆臂6的摆臂主体37带动俘能转子11一同往复转动，以利用各组转子悬臂梁41端部的转子永磁体42，来与馈能单元12产生能量转换。

[0028] 另外，俘能器内侧组体4由内侧端盖23构成，内侧端盖23的内部设置有内端盖腔体24，内侧端盖23的上端设置有调节杆铰接座29，调节杆铰接座29与调节杆连接头3相铰接，且调节杆连接头3通过连接短杆18与位置调节连杆2的端部相连；内侧端盖23的左右两侧分别设置有组装耳板30；俘能器内侧组体4的内端盖腔体24的内侧壁上，均布有若干组线圈定位卡槽26（如图4所示）。相应地，俘能器外侧组体5由外侧端盖33构成，外侧端盖33的内部设置有外端盖腔体34，外端盖腔体34底部的中间设置有用于布置转动轴承13的轴承安装卡槽
35，外侧端盖33的左右两侧也分别设置有组装耳板30；俘能器外侧组体5的外端盖腔体34的内侧壁上，也均布有若干组线圈定位卡槽26（如图6所示）。

[0029] 并且，俘能转子11转动设置在由俘能器内侧组体4的内端盖腔体24和俘能器外侧组体5的外端盖腔体34组合构成的封闭腔体内；设置在封闭腔体内、俘能转子11周边的馈能单元12，包括电磁能量收集单元和压电能量收集单元，以利用电磁和压电复合式的能量收集方式，来有效提升俘能装置的输出功率；并且，通过组装耳板30将俘能器内侧组体4和俘能器外侧组体5组装在一起，并把俘能转子11和馈能单元12分别设置于封闭腔体内，且将俘能转子11的转动轴承13布置在俘能器外侧组体5的轴承安装卡槽35内（如图8所示），进而便于俘能驱动摆臂6带动俘能转子11转动、与馈能单元12产生能量转换，再将转换的电能进行储存或利用。

[0030] 馈能单元12的电磁能量收集单元包括内端盖腔体24和外端盖腔体34的内侧壁上均匀布置的若干组（例如：可以是八组）电磁线圈27，电磁线圈27分别固定设置在腔体内侧壁上的线圈定位卡槽26内；根据具体的使用需要，电磁线圈27的缠绕骨架可以采用传统的圆形结构，也可采用便于固定安装的方形结构。进而在转子悬臂梁41随俘能驱动摆臂6的摆动而产生旋转的过程中，利用转子悬臂梁41端部的转子永磁体42与腔体内侧壁上固定设置的电磁线圈27之间所产生的交错运动，来使电磁线圈27产生感应电动势，并通过整流滤波稳压电路将电磁线圈27的输出端与无线传感器相连，为其供电。能够理解的是，根据具体的使用需要，也可通过调节转子悬臂梁41端部的转子永磁体42与电磁线圈27之间的气隙，来产生感应电动势，以此来实现电磁能量回收。同时，俘能器内侧组体4的内侧端盖23的中部设置有导线穿孔25，且内侧端盖23的外侧面上还设置有若干组、沿径向均匀布置的导线布置槽31（如图5所示）；以将各组电磁线圈27输出端的导线从导线穿孔25中穿出，并分别布置在相应的导线布置槽31内，方便导线的连接，确保装置的使用可靠性。

[0031] 馈能单元12的压电能量收集单元，则包括设置在俘能转子11的转子悬臂梁41立侧面上的悬臂压电片43，悬臂压电片43可以采用单侧布置或双侧布置的结构形式；以通过转子悬臂梁41随俘能驱动摆臂6摆动的旋转，来使其上的悬臂压电片43产生压电效应，并利用整流滤波稳压电路将悬臂压电片43的输出端与无线传感器相连，为其供电。

[0032] 俘能器内侧组体4的内端盖腔体24内，设置有若干组（例如：可以是八组）在同一圆周上均布的内侧固定永磁体28；相应地，俘能器外侧组体5的外端盖腔体34内，也设置有若干组（例如：可以是八组）在同一圆周上均布的外侧固定永磁体36（如图4和图6所示）；俘能器内侧组体4的内侧端盖23以及俘能器外侧组体5的外侧端盖33的外侧，还分别设置有若干组、位置与内侧固定永磁体28和外侧固定永磁体36相对应的永磁体辅助拆卸孔32。并且，外侧固定永磁体36与内侧固定永磁体28的数量和设置位置相对应，且外侧固定永磁体36与内侧固定永磁体28采用相互排斥的布设方式；进而引入磁力调谐的方法来改变转子悬臂梁41的机械应变力，提高发电效率。

[0033] 从而，在转子悬臂梁41随俘能驱动摆臂6的摆动而旋转的时候，转子悬臂梁41端部的转子永磁体42会受到内侧固定永磁体28和外侧固定永磁体36的斥力作用，进而使得转子悬臂梁41持续地往复运动，激发悬臂压电片43的压电效应；且通过调节内侧固定永磁体28与外侧固定永磁体36之间的间隙，来改变俘能转子11的转子悬臂梁41的刚度，以实现转子悬臂梁41不同程度的往复运动。同时，转子永磁体42还会持续扫过腔体内侧壁上、线圈定位卡槽26内的电磁线圈27，使电磁线圈27产生感应电动势，进行放电，以此来实现电磁能量的回收，在装置运行时电磁能量收集单元与压电能量收集单元共同构成了人体俘能器的馈能单元12，并为无线设备供电；该装置可适用于人体健康监测和小功率运动辅助设备充电。

[0034] 俘能驱动摆臂6的长连杆铰接座38上通过长连杆连接头7设置有长连接杆9，长连接杆9上设置有腿部固定架8，长连接杆9的延伸端的端部设置有封口限位螺帽10。腿部固定架8由形状与使用者腿部相匹配的腿部弧形架体19构成，腿部弧形架体19的中部设置有长连杆连接套20，腿部弧形架体19上设置有若干组腿部绷带穿孔21和腿部绷带定位部22（如图3中的下部结构所示）。进而通过长连杆连接套20将腿部弧形架体19活动套设在长连接杆9上，并使用设置在长连接杆9端部的封口限位螺帽10来限制腿部固定架8的移动位置；同时，利用布置在腿部绷带穿孔21和腿部绷带定位部22内的腿部绷带，将腿部弧形架体19固定在使用者的腿部，以通过使用者的腿部来驱动与长连接杆9端部相连的俘能驱动摆臂6。

[0035] 该压电电磁混合式人体俘能器使用时，首先，利用布置在腰部绷带穿孔17内的腰部绷带，将腰部弧形架体14固定在使用者的腰部位置，且通过位置调节连杆2来调整腰部固定架1与俘能驱动摆臂6（俘能器内侧组体4）之间的距离。然后，通过布置在腿部绷带穿孔21和腿部绷带定位部22内的腿部绷带，来将腿部弧形架体19固定在使用者的腿部，并可在长连接杆9上灵活地调整腿部固定架8的位置。之后，在行走和移动的过程中，使用者的腿部会带动与长连接杆9端部相连的俘能驱动摆臂6往复摆动，进而驱使与俘能驱动摆臂6的摆臂主体37相连的俘能转子11一同往复转动。从而，在俘能转子11随俘能驱动摆臂6的摆动而产生旋转的过程中，利用转子悬臂梁41端部的转子永磁体42与俘能器内侧组体4和俘能器外侧组体5内侧壁上的电磁线圈27之间所产生的交错运动，来使电磁线圈27产生感应电动势；且使转子悬臂梁41上的悬臂压电片43产生压电效应，以通过整流滤波稳压电路将电磁线圈
27和悬臂压电片43的输出端分别与无线传感器相连、为其供电。

[0036] 并且，在转子悬臂梁41随俘能驱动摆臂6的摆动而旋转的时候，转子悬臂梁41端部的转子永磁体42会受到内侧固定永磁体28和外侧固定永磁体36的斥力作用，进而使转子悬臂梁41持续地往复运动，激发悬臂压电片43的压电效应。该俘能器可用于捕获人体髋关节的运动，采用电磁和压电复合式的能量收集方式来提高输出功率，且引入磁力调谐的方法来改变转子悬臂梁41的机械应变力，使转子悬臂梁41产生更大形变量，提高发电效率。另外，通过调节内侧固定永磁体28与外侧固定永磁体36之间的间距、来调节磁场强度，可以适用于不同加速度激励下的能量收集，拓宽了频率带宽，使输出功率变大，有效解决了人体运动能量回收效率低的问题。