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可穿戴设备的设计与优化以收集人体运动能量
aaa,
WeijiaPeng,MingtongChenandZhengbaoYang
aTheHongKongUniversityofScienceandTechnologyHongKong,SAR999077,China
ARTICLEINFO摘要
Keywords:随着可穿戴电子设备变得越来越普遍,人们对设计可持续且能源自给的系统表现出日益增长的兴
能量采集趣和需求。本文所述的研究调查了一种鞋用能量采集系统的设计,该系统利用行走时产生的机械能
输出电能。在鞋跟处嵌入了一个电磁发电机,并在其上连接了弹簧以回收由足部触地引起的垂直压
可穿戴电子设备力。模拟原型包含了一个在MATLAB中设计的标准EM发电机,其最大电压为12伏特。初步
电磁发电机的低保真原型测试了电磁发电机与简单电路之间的关系,并观察到了能量输出。未来的研究将探索
改进整体发电机的设计,集成一个用于电池保护和调节的电源管理IC,并将系统整合成最终产品
——可穿戴鞋类。这项研究为自供电鞋类和能源独立的可穿戴电子设备奠定了基础。
1.介绍一种独特的机制将碰撞式足跟冲击能量转化为电能,
该机制结合了弹簧加载和齿轮减速运动,并与旋转
如今可穿戴电子设备已成为日常生活中司空见
电磁发电机相连。该设备原型展示了3.8±0.3W的
本惯的事物。它们通常是用于健康监测、健身追踪和智
峰值功率,减少了肌肉激活利用率,并改善了步行经
译能交互等功能的低功耗设备。大多数设备仍然严重
济性,从而在正常交替步行中降低了约10%的代谢
中依赖电池,并导致频繁充电。因此,可持续和自充能
成本。该设备展示了无缝、多功能系统的可能性,既
1系统的发展在近年来引起了极大的兴趣。
v提供辅助功能,又提供可穿戴电源应用,能量收集与
7人类运动如行走、挥手、跑步提供了一种一致的嵌入足跟的能量收集系统协调一致。
5机械能来源,可以用来为可穿戴设备供电。以行走和
1云等人。[2]开发了一种带有双向齿轮箱的外骨
6跑步为例,每一步都能产生显著的机械力,这使得鞋
1.子成为结合能量收集系统和低功耗设备的重要平台。骼鞋摩擦纳米发电机(ES-TENG),将低频步行运动
7转化为旋转TENG的高速旋转运动,以专注于发电。
0通过将行走产生的动能转换成电能,带有低功耗电
5子器件且无需充电的自给鞋成为了可能。ES-TENG实现了高达13W/g的特定功率,同时达
2到了超过3kV的峰值开路电压,展示了其高效的发
:这导致了智能鞋类开发的一个引人注目的应用。
v电能力,此外还有潜在的治疗或刺激应用。这种基于
i例如,耐克宣布了一款名为“AdaptBB”的智能鞋,
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