摘要：随着科学技术的发展，人们的生活日益变得丰富多彩，手机、平板电脑等数码产品也普及到人们的日常生活中。为了更方便的对随身携带的设备进行供电，本设计是一种可以随时随地充电并且有益身体健康的设备，这是一个利用人体动能的电子产品辅助供电系统，完成将人体关节活动所产生的能量转化为设备的机械能，再转化为电能的过程，从而为移动设备提供电源。本文主要针对利用人体动能进行发电装置的设计及讨论。
关键词:充电系统；人体；机械能；电能
1概述
基于现阶段的技术而言，人体可利用的潜在的能量主要包括：①人体动能，主要涉及到静电，磁生电，压电等技术[1]；②人体热能，主要利用塞贝克效应将热能转化为电能[2]；③人体化学能，利用微生物或是酶作为催化剂将人体内葡萄糖中的化学能转化为电能。我们所研究的是设法将人体动能转化为可以利用的电能。人体动能所产生的能量从手指运动的0.3w到双臂大范围摆动的67w左右不等[3]。而这些能量在实际生活中往往未被充分利用到。经调查研究发现现在市场上的成熟的各种发电设备，大致上可分为大型能源发电机与小型手动发电机，两者都是以“电生磁，磁生电”为基础原理设计而来，但不具备携带便捷、装置简易、操作简单等特性，所以我们着手准备设计我们的装置。
2发电装置的选择
研究之初，我们采用逆向设计，先研究市场上普遍存在的手动发电手电筒，考虑如何将其加在手臂上，通过大小臂的活动带动其运动实现电流的产生。成功放置后，将其壳体抽离，留下其内部装置，观察其发电的原理，为了加大发电的功率，将其中的小型线圈与磁铁更换为磁性强的发电机。
3传动机构设计
由于发电机只能单方向旋转才能产生电流，而手臂是来回运动，如果让发电机直接根据手臂而运动，那么无法实现持续的电流产生，所以要解决发电机如何单向运动的问题。通过对机械运动的研究，以及对于网上各种机构设计的观察，我们想到了间歇性运动机构，例如棘轮机构、槽轮机构等，最终通过各种机构方案的比较，我们选择了齿条与不完全齿轮配合的方案。不完全齿轮机构的结构简单，制造容易，工作可靠，设计时齿轮的运动时间和静止时间的比例可在较大范围内变化。其缺点是有较大的冲击，故只宜用于低速、轻载场合，正好满足本次设计所使用的场景。通过设计上下两齿条与不完全齿轮啮合，当小臂带动齿条来回运动时，保证不完全齿轮每次只与一条齿条啮合，从而实现齿条来回运动时齿轮单方向旋转带动发电机工作。运动机构设计完成后，开始设计如何实现齿条在小臂的摆动下来回运动。起初开始考虑运用杆件机构实现，但经过设计后发现在手臂上加上过多的杆件会使日常活动的便捷性受到限制，所以我们考虑用弹性绳来替代杆件，一边应用杆件接在小臂上，另一边用弹性绳连接环形齿条的一边固定在大臂上。虽然这样可以减少杆件的不适，但机构仍不够简单，经过我们的再次修改，最终决定采用弹簧加上绳的组合。将环形齿条一端与回位弹簧相连固定在箱体上，箱体固定在大臂上，环形齿条的另一端与绳相并与小臂相连。通过小臂的伸展带动齿条向前移动，弹簧被拉伸。当手臂回伸是，齿条在回位弹簧的作用下回拉，实现一个轮回。齿条的来回移动实现齿轮的单向旋转运动，从而实现发电机的工作。
4传动零件的建模及制作
不完全齿轮与齿条的设计采用CATIA来进行，先画出齿轮的齿型，齿条采用梯形齿，并在绘图过程中不断改变齿之间的间距，最终达到运动不发生干涉的目的，并大致估计齿条地长度，最终完成不完全齿轮和齿条的设计。至此，机构的基本设计已完成，接下进行机构箱体的设计，主要设计原则是在能将所有零件包括下尽可能减少体积。确定体积后进行整体装置的三维建模，随后进行轻量化处理，例如将齿轮的无齿部分面积减少，箱体上可以适当开槽以减少箱体的重量，在加工时节省材料，最后进行倒圆角以美化。再根据三维模型通过3D打印技术制作出实物，以检验是否达到效果。
5结论
经过检验，本装置可以将手臂活动的机械能转化为电能，并通过电流转化器连接USB接口为电子设备提供电源。当加大运动时可以提供更加稳定的电流。通过初步检测，人体在日常活动中手臂关节所消耗的能量约为60J，而发电机的功率为5W，效率有待改善，不过此种绿色的发电方式更加符合节能环保的发展主题。
参考文献
[1]许彬,王为.微型温差电器件及相关材料的研究现状[J].电源技术,2006,30(3):247-250.
[2]康峰,伍艳辉,李佟茗.生物燃料电池研究进展[J].电源技术,2004,28(11):723-727.
[3]StarnerT.Human-poweredwea计量经济论文rablecomputing[J].IBMSystemsJournal,1996,35(3&4):618-629.
作者：宋世壮 徐鹏鹏 李奥博 单位：沈阳理工大学
