人体腿部运动俘能系统的设计*

（西安工程大学 西安 710048）

1 引言

智能纺织品拥有传统纺织品特征，同时兼具感应、监视和信息处理等功能的新型纺织品，主要由传感、执行、控制和电源等模块组成，在休闲娱乐、军事、医疗、航空、航天等方面具有广阔的应用前景［1］。然而，目前智能纺织品主要依赖充电宝等外部电源进行供电，这种方式存在不易携带、具有一定的危险性，且电量耗尽后不能及时充电等问题［2］。因此，自供电电源成为该领域的热点研究问题。智能纺织品以传统服装为载体，与人体紧密贴合，人体产生的能量可作为自供电电源的能量来源。目前人体能量俘获方式主要有电磁式［3～5］、静电式［6～7］和压电式［8～12］。其中压电式人体能量俘获方式具有装置结构简单、能量转换密度大、易于加工制作等优点成为人体能量的主要俘获方式。当人体进行日常生理活动时，腿部动作具有规律性且变形较大，又易与纺织品集成，所以腿部能量是自供电电源的理想能量来源。但目前压电式腿部俘能装置存在的问题是俘能器结构比较单一，常见的悬臂梁［13］、双稳态［14］等结构不能承受形变较大的腿部弯曲运动，且能量收集电路的采集效率较低、电路能量损耗较高［15］。

基于此，本文提出基于压电式俘能技术和人体腿部运动相结合的面向智能纺织品自供电电源的能量俘获方法，从人体腿部运动姿态规律出发，建立人体腿部运动简化机构的模型，设计出适合腿部运动的压电俘能器和能量收集电路，并通过搭建的腿部俘能装置完成对腿部能量的收集与存储，为人体能量收集的实际应用提供了一种新途径，同时为智能纺织品的持续性供电奠定基础。……