人體腿部運動俘能系統(tǒng)的設計*

（西安工程大學 西安 710048）

1 引言

智能紡織品擁有傳統(tǒng)紡織品特征，同時兼具感應、監(jiān)視和信息處理等功能的新型紡織品，主要由傳感、執(zhí)行、控制和電源等模塊組成，在休閑娛樂、軍事、醫(yī)療、航空、航天等方面具有廣闊的應用前景［1］。然而，目前智能紡織品主要依賴充電寶等外部電源進行供電，這種方式存在不易攜帶、具有一定的危險性，且電量耗盡后不能及時充電等問題［2］。因此，自供電電源成為該領域的熱點研究問題。智能紡織品以傳統(tǒng)服裝為載體，與人體緊密貼合，人體產生的能量可作為自供電電源的能量來源。目前人體能量俘獲方式主要有電磁式［3～5］、靜電式［6～7］和壓電式［8～12］。其中壓電式人體能量俘獲方式具有裝置結構簡單、能量轉換密度大、易于加工制作等優(yōu)點成為人體能量的主要俘獲方式。當人體進行日常生理活動時，腿部動作具有規(guī)律性且變形較大，又易與紡織品集成，所以腿部能量是自供電電源的理想能量來源。但目前壓電式腿部俘能裝置存在的問題是俘能器結構比較單一，常見的懸臂梁［13］、雙穩(wěn)態(tài)［14］等結構不能承受形變較大的腿部彎曲運動，且能量收集電路的采集效率較低、電路能量損耗較高［15］。

基于此，本文提出基于壓電式俘能技術和人體腿部運動相結合的面向智能紡織品自供電電源的能量俘獲方法，從人體腿部運動姿態(tài)規(guī)律出發(fā)，建立人體腿部運動簡化機構的模型，設計出適合腿部運動的壓電俘能器和能量收集電路，并通過搭建的腿部俘能裝置完成對腿部能量的收集與存儲，為人體能量收集的實際應用提供了一種新途徑，同時為智能紡織品的持續(xù)性供電奠定基礎。

2 建立人體腿部運動模型

為了在實驗中解放人力，有效控制其他外界條件對實驗結果的影響，對人體腿部運動姿態(tài)規(guī)律進行分析，構建出模擬人體腿部運動簡化模型。

構建模擬人體腿部運動模型首先需要對人體腿部運動姿態(tài)規(guī)律進行分析。選擇受試對象身高175cm，體重72kg，行走速度5km/h，跑步速度約8km/h（行走頻率約為1.4Hz，跑步頻率約為2.2Hz），受試對象腿部運動三個時間節(jié)點的運動姿態(tài)如圖1所示。

圖1 人體腿部運動姿態(tài)

圖1（a）為受試對象行走時的運動姿態(tài)，以一條腿為研究對象，從圖中可以看出，人體行走一個周期的過程可以分為站立和擺動兩個階段。站立時單足站立，足跟抬起離地，人體向前移動；擺動時，足底完全脫離地面，向前作加速運動，膝關節(jié)彎曲，防止足部接觸地面，此時膝關節(jié)彎曲程度達到最大，彎曲夾角為91°±10°，最后腿部向前擺動，直至足部再次接觸地面。圖1（b）為受試對象跑步時的運動姿態(tài)，腿部的擺動過程與行走時類似，相對于行走，跑步時腿部的彎曲程度更大，彎曲夾角為68°±10°。

通過對人體腿部運動姿態(tài)分析，將人體腿部運動簡化為一平面四桿機構，建立人體腿部運動簡化模型，如圖2所示。鉸鏈A為人體膝蓋處，鉸鏈D為能量輸入端（電機），將小腿固定在機架上，利用輸入端的電機轉動帶動大腿進行彎曲，通過控制電機的轉速和轉角實現運動頻率和腿部彎曲夾角控制。

圖2 人體腿部運動模型

3 壓電俘能技術原理

壓電俘能技術的基本原理是將人體運動產生的能量，通過特定材料的正壓電效應轉化為可供電子器件使用的電能。其中正壓電效應是指當壓電晶體受到外機械力作用時，晶粒的形狀會發(fā)生變化，致使內部出現電荷不對稱分布的現象，從而在其表面產生符號相反的電荷，如圖3所示。

圖3 正壓電效應原理示意圖

4 壓電式人體腿部運動俘能系統(tǒng)

壓電俘能系統(tǒng)主要由壓電俘能器和壓電能量收集電路組成。在整個系統(tǒng)中，人體腿部運動驅動壓電俘能器屈曲變形，壓電俘能器因正壓電效應從而產生電荷，然后壓電能量采集電路會將壓電俘能器產生的交流電整流成直流電，利用壓電電源管理電路進行調壓和穩(wěn)壓處理，最后再利用儲能元件完成對能量存儲。

4.1 壓電式人體腿部俘能器設計

當壓電薄膜產生機械形變時，所受的應力以及產生電場的關系可用第一類壓電方程表示：

其中，S為應變，D為電位移，T為應力，E為電場，sE和εT分別表示電場強度恒定時的彈性柔順系數和應力恒定時的介電常數，d為壓電常數，dt為d的轉置。式（1）為正壓電效應，式（2）為逆壓電效應。假設應力與應變之間為線性關系，總感應電荷可以表示為

其中，Q為總感應電荷，E為楊氏模量，A為表面積，Δl和l0分別為壓電材料的長度變化量和初始長度。忽略電場對應變的影響，對式（3）微分，得純電阻負載的輸出電流。

其中，I為電流，V為輸出電壓，RL為負載電阻。壓電薄膜的內部電容為

聯(lián)立式（3）和式（5），產生的能量可以寫成：

其中，F為壓電材料受到的外力，Ay為有效接觸面積。

式（4）和式（6）表明，壓電薄膜的快速變形可以提高輸出電流和電壓，且從式（6）可以看出，大的應變可以提高輸出能量和功率。

在此將壓電俘能器結構設計成一種弧形三明治結構，弧形壓電俘能器主要由預彎曲的金屬彈性基板和PVDF壓電薄膜通過環(huán)氧樹脂粘合組成，其橫截面結構示意圖如圖4所示。通過將PVDF壓電薄膜粘貼在預彎曲的弧形金屬彈性基片上，引出電極以輸出產生的電荷。

圖4 弧形壓電俘能器的橫截面示意圖

設計成這種結構的目的一是為了在相同的受力下產生較大的變形，從而提高壓電俘能器的輸出能量；二是為了使設計的壓電俘能器更貼合人體腿部的弧形，以此來減小對人體運動姿態(tài)的影響；三是彈性的金屬基片可以縮短俘能器彎曲-恢復的時間，增大彎曲撓度，且為壓電薄膜施加恢復原狀時產生的彈性力，從而提高壓電俘能器的輸出電能。選用壓電材料為智美康科技有限公司的產品IPZ-100壓電薄膜，壓電應變系數和相對介電常數如表1所示。

表1 壓電薄膜的材料參數

制作俘能器時，粘貼前應注意用酒精擦拭金屬彈性基片和壓電薄膜，均勻涂抹環(huán)氧樹脂，避免氣泡的產生。將俘能器安裝在人體腿部膝蓋處，使得人體行走或者跑步時，直接驅動其發(fā)生彎曲變形。

4.2 壓電能量收集電路設計

壓電俘能器產生的交流電具有高電壓、微小電流的特點，致使俘能器輸出的電能無法直接為低功耗器件供電。所以需先將產生的交流電整流成直流電，再進行調壓、穩(wěn)壓處理，最后對儲能元件進行充電，積累電能，進而驅動微功耗電子器件。壓電能量收集電路主要包括能量采集電路和電源管理電路兩部分。

能量采集電路是在二倍壓整流電路的基礎上優(yōu)化改進的，如圖5所示，該電路保留二倍壓電路的特點，在將俘能器產生的交流電整流的同時，升高其能量采集電路的輸出，并將電路對電容的充、放電過程分開，充電時，電容C4與C5串聯(lián)連接，降低了電路的等效電容，加快了充電速率，縮短了充電時間；放電時，電容C4與C5并聯(lián)連接，增加了電路的等效電容，降低了放電速率，提高了放電的時間。

圖5 改進后的能量采集電路

電源管理電路如圖6所示，為了減少電路中的能量損耗，選擇低功耗的電源管理電路芯片LTC3588-1，所設計的電源管理電路主要利用了芯片中的降壓型DC/DC轉換器，通過將上一級能量采集電路的輸出接入芯片的VIN引腳，當VIN引腳上的電壓上升直至達到欠壓鎖定電路的開啟電壓閾值時，降壓型DC/DC轉換器被導通，輸出穩(wěn)定的直流信號；當VIN引腳上的電壓降低至欠壓鎖定電路的關閉電壓閾值時，降壓型DC/DC轉換器被關閉，進入睡眠模式，直至被再次喚醒。CAP引腳和VIN引腳連接一個電容，目的是去除電壓軌之間的耦合，VIN2引腳與GND引腳之間連接一個電容，目的是為電壓選擇提供一個高電平。其中壓電電源管理電路D0引腳連接低電平，且D1引腳連接高電平，使壓電電源管理電路輸出穩(wěn)定的直流信號。

圖6 壓電電源管理電路

4.3 壓電式人體腿部運動俘能裝置及驗證試驗

設計的壓電式人體腿部運動俘能裝置如圖7所示。裝置主要由以下部分組成：1）模擬人體腿部運動平臺；2）數字示波器（RIGOL公司的DS1054Z，探頭型號為RP2200）；3）SR570低噪聲前置電流放大器；4）壓電俘能器；5）壓電能量收集電路；6）步進電機及其驅動模塊。

圖7 人體腿部運動能量收集系統(tǒng)

為了證明搭建的壓電式人體腿部運動俘能裝置可以給智能紡織品電子器件供電，將LED燈接入系統(tǒng)電路中，觀察到LED燈瞬間被點亮，過了一會后逐漸熄滅。

5 結語

本文通過構建人體腿部運動模型，建立了人體腿部運動簡化機構的模型，并且設計了人體腿部壓電俘能器和壓電能量收集電路，搭建了壓電式人體腿部運動俘能裝置。通過驗證試驗，存儲到的能量可以成功點亮LED燈，可以為一些低功耗的智能紡織品電子器件供電。