一种基于液态金属的柔性足部能量采集装置

本发明涉及发电机，尤其涉及一种基于液态金属的柔性足部能量采集装置。

背景技术：

1、随着居民生活水平的提高和经济能力的上升，户外运动成为居民主要的解压放松方式，越来越多的户外运动装备配备了智能电子设备，但由于户外充电不方便，智能电子设备的供电难以持续，这限制了户外运动装备的发展。

2、在户外运动过程中，人体每时每刻都在产生机械能，尤其是足部所产生的机械能频率较高，收集难度较小，因此，为了解决户外运动装置的智能电子设备供电难以持续的问题，技术研发人员研究出了足部能量采集技术。足部能量采集技术可有效收集运动所产生的机械能，将其安装在运动鞋上，在户外运动的同时能实现能源收集，因此可以为户外运动装备的智能电子设备供电。

3、目前，技术人员基于电磁感应、摩擦生电的原理，制造出多种人体运动能源采集装置。如专利cn203207285u发明了一种发电鞋，该发电鞋包括设置在所述发电鞋的鞋底部位的摩擦纳米发电机与蓄电装置，摩擦纳米发电机将机械能转化为电能，蓄电装置用于对所述摩擦纳米发电机产生的电能进行存储。专利申请cn117792147a提出了一种平行轴驱动式惯容能量收集系统，利用惯容元件、压电模块、弹簧等元件制备第一平动部件、平转动部件、第二平动部件、旋转部件等，通过外力驱动第一平动部件平动，第一平动部件通过平转动部件带动旋转部件转动，从而模拟惯容的力学行为实现质量增效，起到减震效果。专利申请cn117294166a提出了一种摩擦纳米发电机及充电装置，此装置利用压杆在驱动位置与恢复位置之间转动，由恢复位置转至驱动位置的过程中，第一摩擦件与第二摩擦件相对转动摩擦来产生电能。

4、通过对以上发电装置总结可知现有足部能源采集装置大多数基于连杆、钢板、薄膜等基底或传动结构，发电单元多采用铜线与磁铁配合。连杆机构在巨大冲击载荷下易折断，钢板牺牲了足底的舒适性，摩擦薄膜虽然体积小但发电量低。此外，目前的足部能源采集装置多采用金属钢材，且结构复杂重量较大，影响了户外运动鞋自身的舒适性与功能性，无法完成户外专业运动中的高难度动作。这使得现有足部柔性机械能采集装置很难兼具发电稳定、发电功率高、柔性化、缓冲减震及可靠性高等特点。

技术实现思路

1、为克服现有足部能源采集装置难以兼具发电稳定、发电功率高、柔性化、缓冲减震及可靠性高的技术缺陷，本发明提供了一种基于液态金属的柔性足部能量采集装置。

2、本发明提供了一种基于液态金属的柔性足部能量采集装置，包括气囊式气缸和密封盒体，气囊式气缸的进气口和出气口均安装有直通式单向阀，密封盒体设置有气体进口和气体出口，密封盒体中安装有涡轮风扇、转速放大齿轮组件、第一能量采集齿轮、第二能量采集齿轮、液态金属线和卷簧，密封盒体的气体进口通过气管与气囊式气缸的出气口密封连接，气囊式气缸的进气口和密封盒体的气体出口分别与外界连通，涡轮风扇位于密封盒体的气体进口处，涡轮风扇的转轴通过单向轴承与密封盒体转动连接，涡轮风扇的转轴上固定连接有驱动直齿轮，驱动直齿轮、转速放大齿轮组件、第一能量采集齿轮以及第二能量采集齿轮依次啮合传动；第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮的顶面分别向上延伸有圆柱形凸台，圆柱形凸台的外圆面上沿周向设置有与液态金属线直径适配的环形凹槽，液态金属线的两端分别固定连接至两个环形凹槽中，每个环形凹槽中的液态金属线呈涡状线缠绕，液态金属线绕制后形成液态金属发电线圈，第二能量采集齿轮的圆柱形凸台顶面设置有卡槽，卷簧安装至卡槽中用以为液态金属发电线圈的解螺旋提供动力，第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮的中心轴外装有环形磁铁。

3、气囊式气缸采用费斯托气囊式气缸，与普通挤压式橡胶气囊相比可承受较大的压力与压强，输出较大的气压动力。同时，气缸的材料为聚酞胺织物，聚酞胺织物具有较强的密封性与防裂性能，保证了气囊式气缸的可靠性。鞋底受力压缩同时带动气囊式气缸压缩，高弹性的气囊在鞋底中不仅在足底受到较大冲击载荷时能起到缓冲减震作用，还能将气体高效率压入气囊式气缸。气囊式气缸的进气口与外界连通，便于在气囊回弹时利用空腔吸力及时将外界气体吸入气囊；密封盒体的气体出口与外界连通，便于其内部的气体流向外界，保证盒体内外气压平衡。直通式单向阀主要由阀体、弹簧和内腔三部分组成，它的作用是让气体在气囊式气缸和密封盒体中单向流动。密封盒体通过三维建模软件设计图纸，之后用高韧性光敏树脂3d打印而成，它为涡轮风扇提供了理想的动力输入和支撑环境。涡轮风扇是由三维建模软件设计，由铝合金材质制造加工而成，涡轮风扇的作用是将气流的不规则运动转化为与之固定连接的转轴的规则转动，其中转轴与涡轮固定连接，转轴通过单向轴承与密封盒体转动连接，这是为了保证转轴不反转且可承受较大转矩。通过转速放大齿轮组件能将驱动直齿轮的转速放大至设定的倍数，以提高第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮的转速，进而提高发电功率。第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮中的环形凹槽的高度与液态金属线的直径适配，环形凹槽的深度满足多圈液态金属线并列设置。第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮中的环形凹槽中为一整根液态金属线，当一整根液态金属线按照涡状线缠绕后，一整根液态金属线的两端分别缠绕在两个圆柱形凸台的环形卡槽中，形成相连的两个线圈盘，因此两个相连的线圈盘形成的液态金属发电线圈呈类s形状或8字形。这样设置保证液态金属发电线圈能按一定的轨道进行缠绕和解旋，有效保证了线圈运动的规律性；避免第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮在高速旋转时，液态金属发电线圈互相打结。通过第二能量采集齿轮的圆柱形凸台顶面设置的卡槽为卷簧传递势能，其中具体过程中，第二能量采集齿轮的转轴顶端伸出卡槽底部，第二能量采集齿轮的转轴与密封盒体固定连接，卷簧的内端与第二能量采集齿轮的转轴相固定，卷簧的外端与卡槽固定连接，卷簧为恒力弹簧，由铜铁合金制成，其作用是储存弹性势能为液态金属发电线圈的复位提供动力，使液态金属发电线圈恢复至初始缠绕状态。在运动过程中，鞋底处于压缩、恢复原状的往复循环过程中，当鞋底压缩时，气囊式气缸向密封盒体吹气，在涡轮风扇的带动下，转速放大齿轮组件将扭矩传递至第一能量采集齿轮，第一能量采集齿轮上方的线圈盘收紧，第二能量采集齿轮上方的线圈盘解螺旋，又因为第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮的转轴外套装有环形磁铁，所以液态金属发电线圈的磁通量发生改变，产生感应电流，液态金属发电线圈两端的导线通过滑环、电刷组件从第一能量采集齿轮和第二能量采集齿轮的转轴中引出，从而完成一次发电。当鞋底恢复原状时，涡轮风扇处无风力，卷簧释放势能，第二能量采集齿轮上方的线圈盘恢复初始的预紧状态，第一能量采集齿轮上方的线圈盘解螺旋，液态金属发电线圈的磁通量又发生改变，再次产生感应电流，从而再次完成一次发电。以此循环，在运动过程中，通过本发明所述的基于液态金属的柔性足部能量采集装置能稳定发电，且发电功率高。

4、优选的，液态金属线由液态金属注入聚氯乙烯管路中形成，液态金属由镓、铟和锡制备而成，其中镓的重量百分比为68.5wt%，铟重量百分比为21.5wt%，锡的重量百分比为10wt%。液态金属线从管路至金属均由全柔性材料制成，保证了液态金属发电线圈可承受自身体积200%的变形而不损坏，液态金属发电线圈的优点是其可承受比铜丝更大的拉伸变形，而且拉伸变形可导致其自身电阻变化，自身电阻变化又会导致穿过液态金属发电线圈的磁通量产生更加剧烈的变化，从而提高发电功率。

5、优选的，将液态金属的原料以给定比例混合，在真空干燥箱中200°c下放置2h制备共晶镓铟锡合金；再将聚氯乙烯管路拉伸，通过注射泵将得到的共晶镓铟锡合金注射至聚氯乙烯管路中，制成液态金属线。将聚氯乙烯管路拉伸的作用是为了排除管路内部的气泡。该方法制备的液态金属线的内部气泡少，密封性强，线圈韧性好，不易损坏。

6、优选的，圆柱形凸台沿环形凹槽处分为上下两部分，中间通过卡扣相连。这样设置是为了便于安装液态金属发电线圈。

7、优选的，转速放大齿轮组件包括小直径直齿轮和大直径直齿轮，小直径直齿轮和大直径直齿轮的轴线共线，小直径直齿轮和大直径直齿轮均与转轴固定连接，小直径直齿轮与驱动直齿轮啮合，大直径直齿轮与第一能量采集齿轮啮合，通过转速放大齿轮组件将驱动直齿轮的转速放大八倍。转速放大齿轮组件保证了液态金属发电线圈圈数的快速变化，提高了装置的整体发电功率与效率。

8、优选的，气囊式气缸位于鞋底的脚跟位置处，密封盒体位于鞋底的中部位置处。这样设置是为了收集户外行走或其他运动时产生的人体机械能并将其高效转化为电能，而且通过本发明所述装置能够减少运动时对脚跟所产生的冲击载荷，起到缓冲减震的作用。除此之外，鞋上还可设置能源管理电路以及所需要充电的负载单元，通过本发明所述装置能为负载单元提供持续稳定的电力。

9、优选的，气囊式气缸的底部通过多根支撑杆连接有支撑底板，气囊式气缸的出气口设置在气囊式气缸的底部，连接出气口的气管从支撑杆之间穿出。这样设置结构合理，气囊式气缸的进气口可朝向鞋垫设置。

10、本发明提供的技术方案与现有技术相比具有如下技术效果：本发明兼具柔性化、质量轻、可靠性强以及发电功率高的优点，本发明采用的气囊式气缸与普通挤压式橡胶气囊相比，可承受更大的压力与压强，输出较大的气压动力；同时气囊式气缸有较好的缓冲减震能力，提高了穿戴者的舒适性，实现了人机增效效果；转速放大齿轮组件具有行程放大的作用，可将转速放大八倍，提高发电功率；本发明提供了液压金属发电线圈，该线圈能承受比铜丝更大的拉伸变形，而且由拉伸变形可产生自身电阻的变化，自身电阻变化又会使穿过该线圈的磁通量产生更加剧烈的变化，从而进一步提高发电功率。