用于自发电腕戴式可穿戴设备的冲击能量采集器

技术领域

本发明涉及可穿戴设备领域。特别地，本发明涉及能够从穿戴者的移动中产生电力的可穿戴设备。

背景技术

智能手表和腕带等腕戴式(wrist-worn)智能电子设备，如物联网设备，由于其多功能性以及在监测设备穿戴者的健康和安全方面的实用性，正变得越来越流行。这些可穿戴设备通常由具有有限电力存储容量的电化学电池供电。然而，这些电化学电池会造成严重的环境问题，可能影响人类和动物的健康。例如，如果电池在遗忘的设备中放置太长时间，则会出现电池酸液泄漏的可能性，这将会腐蚀设备中的内部电路。

必须频繁更换电池也很麻烦，更换电池通常伴随重新设置或重新初始化设备的需要，诸如将当前数据重新输入到设备中的微处理器的存储器中，等等。

已经提出开发自发电(self-powered)、智能、手腕可穿戴的设备，该设备能够从穿戴这些设备的用户的手的移动中采集能量。通常是在手的速度变化或移动方向变化中产生力，这些力能够在这些设备中转换成电能。通常，在这些设备中设有基于移动的发电机。基于移动的发电机从用户移动施加的力中产生电能。产生的电力通常被存储在设备内部的电池中，同时，电池内部存储的能量用于运行所述设备。

然而，从手部移动或任何用户移动中提取能量并不容易，因为大多数用户移动具有低频率和大幅度。正常人在其日常事务中行走时他的手移动的距离通常过大，这意味着手改变或颠倒方向需要太长时间。其次，手并不是一整天都在不停地移动的紧张(jittery，抖动)的身体部位。

所以，对于典型的需要能量供应的大多数手穿戴智能设备来说，在一天的过程中手方向的变化通常不足以频繁到能用作基于移动的发电机产生能量所需的足够力源。

因此，希望对现有技术提出改进，提供采集足够能量以向可穿戴设备供电的改进可能性。此外，希望从手或其他身体部位的低频率和大幅度移动中提高能量的采集效率或产量。

发明内容

在第一方面，本发明提出了一种能够携带在人的身体部位上的设备，该设备包括被配置为紧固在用户的身体上的第一部分；与第一部分成一体的第二部分；第二部分相对于第一部分能弹性地移动；至少一个基于运动的发电机，布置成与第二部分的移动相互作用，以便从第二部分的移动中产生电力。

换句话说，通过用于制造或生产第二部分或用于将第二部分与第一部分相连接的弹性结构或弹性材料，本发明提供了以下可能性：第二部分能够相对于第一部分摆动，特别是当第一部分已移动并停止，或已改变移动方向时。换句话说，第二部分被布置为能移动地固定到第一部分，以使得响应于第一部分的移动，第二部分的移动是欠阻尼的(under-damped)。

第二部分相对于第一部分的移动自由性提供了以下可能性：即使第一部分已经停止在一个方向上移动，第二部分也可以在该一个方向上继续移动。最后，在该方向上移动的第二部分被第一部分阻止并推向沿相反方向移动。当第二部分到达沿相反方向的移动极限时，第二部分再次弹回或被推回原始方向。以这种方式，在第一部分改变移动方向之后，第二部分相对于第一部分来回移动多次，从而产生摆动。第二部分摆动得越多，第二部分中基于移动的发电机就能越多地用于产生电力。

优选地，第二部分的重量大于第一部分的重量。第二部分的重量越大，在第二部分中由第二部分相对于第一部分来回摆动或移动所消散(dissipate)的能量就越多。这增加了安装在第二部分上的基于运动的发电机可能经历的移动量，以使用基于运动的发电机产生电力。

可选地，基于运动的发电机是电磁换能器；所述电磁换能器具有磁体和感应线圈，所述磁体和感应线圈能够通过第二部分的移动而相对于彼此移动。或者，基于运动的发电机包括一个或多个压电元件。本领域技术人员将理解，电磁换能器和压电元件是不同类型的基于运动的发电机。

使用压电元件优于电磁换能器的优点在于，压电元件可以更小，并且更容易安装在许多设备中看不见的地方。

优选地，压电元件固定到第二部分以与第二部分一起移动。或者，压电元件固定到第一部分，使得第二部分能够移动以直接地、或间接地撞击或冲击到压电元件上。

通常，当第一部分和第二部分在一个轨迹中移动时，在第一部分在轨迹上逆向时，第二部分能够继续在轨迹中移动，直到第二部分的移动由第二部分与第一部分的连接而被停止或阻止，此时这导致第二部分在方向上逆转以追随第一部分的轨迹，仅在第二部分要超过第一部分时又被第一部分阻止，在这种情况下，第二部分在轨迹上再逆转。第二部分的这种移动的多次重复产生第二部分相对于第一部分的摆动。

在一些实施例中，第一部分是用于围绕身体部位穿戴的带；这些实施例包括固定到所述带的壳体；第二部分是壳体中的能移动压电元件。可选地，第一部分是用于环绕身体部位的带；第二部分是用于环绕身体部位的带；第二部分的直径大于第一部分的直径；使得第一部分比第二部分更紧地包围身体部位，以使第二部分能够相对于第一部分移动。

通常，可以与本发明的实施例一起使用的身体部位是用户的手腕。除了手腕，还能使用其他身体部位，诸如脚踝、二头肌、颈部、腰部或躯干。

优选地，第二部分是计时设备；第一部分是容纳计时设备的壳体；计时设备通过在壳体内能移动而相对于第一部分能移动；并且压电元件固定到第一部分，即，压电元件固定到壳体。

因而，本发明通过提供增加机械冲击或加速度的频率和可能性来提供改进能量采集的可能性。

附图说明

参考附图便于进一步描述本发明，附图示出了本发明的可能布置，其中相同的整数表示相同的部分。本发明的其它布置是可能的，因此附图的具体性不应被理解为取代本发明前面描述的一般性。

图1是用于自发电腕戴式可穿戴设备的带有能移动壳体的双带冲击能量采集器的等距视图；

图2是具有一个腕带和一个能移动壳体的另一个示例性实施例的等距视图；

图3a-图3c显示了壳体布置的三种布局；

图4a-图4b显示了压电元件在壳体上的布局；

图5a-图5b显示了电磁换能器在壳体上的布局；

图6显示了示例性实施例的能量流；

图7是图1中的示例性实施例的原型；

图8a和图8b是图7中的原型在人手抖动运动中的实验结果；

图9显示了本发明的另一个实施例；以及

图10显示了本发明的又一个实施例。

具体实施方式

图1是配置为穿戴在人的手腕上的设备10的等距视图。设备10包括需要被供电以运行的电子部件。例如，图1中所示的设备10是靠电运行的数字手表。然而，可选地，设备10可以包括心率监测器、温度监测器、GPS位置检测器、收发器、天线、微处理器、存储器、存储总线等，这些都是一些常见的物联网设备。

如本领域技术人员所理解的，物联网(设备)是指嵌有健康传感器、处理能力、软件和其他技术，并通过互联网或其他通信网络与其他设备和系统连接并交换数据的日常对象。这些物联网设备通常是可穿戴设备，其可以获益于通过从穿戴这些设备的用户的移动中采集的几乎无穷无尽的电力供应来运行。

通常，电子部件被保持在壳体100内以进行保护。该壳体在本文中被称为内壳100，因为该壳体被放置并封装在外壳110内。外壳110被固定到带上，用于系在穿戴者的手腕上。

压电元件140被设置在设备10的适当部分中，以从穿戴者的移动中产生电力，所述电力用于内壳中的电子部件的运行。

压电元件

压电是在某些固体材料(诸如晶体)或某些陶瓷中积累的电荷。压电效应是由不具有反演对称性(inversion symmetry)的晶体材料中在机械状态和电状态之间的线性机电相互作用引起的。因此，当压电元件被移动、拉伸或冲击时，由此施加到压电元件上的力产生电子，所述电子能流动以产生电流。

压电元件140可以设置在外壳110内部，以被能移动的内壳冲击以产生电力。此外，压电元件140可以设置在带的最可能弯曲的部分上，以便产生电力。

内壳和外壳

通常，内壳100容纳功能单元220，诸如用于显示数据或时间的显示屏、传感器(诸如温度传感器和光电体积描记传感器)、蓝牙收发器和/或需要电力来运行的其他部件。

外壳110优选为薄壁长方体(如所示)或圆柱体(未示出)，并且内壳100可滑动地封装在外壳110中。因此，内壳100在尺寸上小于外壳110，以便装配到外壳110中。内壳100和外壳110之间的充足空间160允许内壳100相对于外壳110移动。因而，当穿戴该设备10的用户的手或手腕移动时，内壳100能够在外壳110内滑动，从而允许内壳110和外壳110之间的机械冲击。

通常，外壳110由金属、钢、塑料、玻璃或适合于穿戴者的装饰并适合于保护外壳110内的内容物的任何其他刚性材料制成。可选地，外壳110可以在设备10的背离穿戴者的手腕的一侧上具有开口顶部或透明覆盖顶部。外壳110通过销接、固定连接、粘合剂或任何其他固定机构连接到外带120。

图3a-图3c显示了内壳100和外壳110的三种不同的可能布置，每种布置都能够允许内壳100在外壳110内移动。当然，除这三种布置外，其他能引起内壳和外壳相对移动的布置也落在本申请的考虑范围内。

在第一种布置中，如图3a的顶部图所示，内壳101是数字手表，其表面显示时间(在剖视图中不可见)。外壳111是薄壁结构并且具有长方体或圆柱体形状。内壳101和外壳111之间的空间161允许内壳101与外壳111之间的相对移动和机械冲击。在开口顶部303周围设置有环形唇缘301(仅示出横截面)，以确保开口小于内壳101的尺寸，防止内壳101从外壳111中掉落。或者，外壳111的顶部303上的开口用透明塑料或玻璃(未示出)密封。

图3b的视图显示了内壳102和外壳112的另一种布置。在本示例中，外壳112是典型的手表的壳体，因此消费者不会知道本文公开的技术，该技术隐藏在外壳112内。一种获得硬件部分供应的可能性是，将二手商业智能手表或智能腕带的壳回收利用以用作外壳112，并将内壳102和内部部件设计为小于外壳112，以使得在内壳102和外壳112之间存在空间162，允许内壳102在外壳112内移动。当外壳112上的显示器是数字时间显示器(其从内壳102提取数据或信息)时，用户不会知道外壳112内的内壳102是能移动的。从内壳102中的微处理器部件向外壳112上的显示器发送信息的方法为本领域技术人员所公知，诸如通过内壳102和外壳112之间的柔性总线(该柔性总线足够长以容纳内壳102在外壳112内的移动)、或者通过内壳102中的部件与外壳112上的显示器之间的无线通信、或者通过任何其他方法来发送信息。不需要对这些方法进行详细说明，因为本领域技术人员非常了解这些方法。这种布置的一个主要优点是，设备10看起来完全像商业智能手表或智能腕带。不同之处在于，设备10中的内部部件没有固定到外壳。

图3c的视图显示了内壳103和外壳113的另一种布置。在本示例中，外壳113在内壳103的侧壁上方没有顶部。外壳113的顶部大开。内壳103通过从内壳103下方延伸穿过外壳113底部中的孔的销钉(stub)104防止从外壳113中掉落。销钉104具有防止内壳103从外壳113脱离的增大头部。销钉104的颈部比销钉104延伸穿过的孔窄得多，并且具有多余的长度，使得内壳103不会紧密地铆接至外壳113，并且为内壳103和销钉104相对于外壳113的移动提供空间163、164。当内壳103移动时，销钉104和内壳103的底表面可能冲击外壳113的内表面。可选地，外壳113的顶部可以由透明盖(未示出)覆盖。在一个变型中，不存在外壳113的侧壁(未示出)，以使得外壳113不再是容器而是平坦平台，内壳103通过销钉104松散且能移动地铆接至该平坦平台。

可选地，为了避免表本体内的内部部件由于大力冲击而损坏，可以在最显著的碰撞位置提供保护层(诸如丝绒或聚合物)而作为衬垫。

为了从机械冲击中获取(scavenge)动能，压电元件140附接到外壳110的表面或内壳100的表面中的一者或两者上。压电元件140通过直接压电效应将来自内壳100和外壳110之间的冲击的能量转换为电能。

图4a-图4b示出了如何将压电元件140设置在外壳(例如图3a中所示的外壳111)上的两个示例。本领域技术人员应了解，这些示例适用于其他类型的外壳，包括图3b中的外壳112和图3c中的外壳113。

在图4a的视图中，压电元件140安装在外壳111的内表面上，即，安装在内侧和内基部上，使得内壳101能直接冲击在压电元件140上。压电元件140的材料可以是软的(例如PVDF)和/或硬的(例如PZT压电材料)。通常，外壳111的底部处的压电元件140和外壳111的侧壁处的压电元件140都具有平面结构。可选地，侧壁处的压电元件140是中空圆柱体，或者由若干件平面压电元件140组成。压电元件的形状选择可取决于外壳111的形状。

图4b的视图显示了另一种布置，其中压电元件140布置在外壳111的外表面上。这种布置防止了压电元件140和内壳101之间的直接碰撞。这保护了压电单元140免受损坏，并允许更长使用寿命的可能性。优选地，压电元件140安装在外壳111的这样的部分处，在所述部分处内壳101更容易撞击，以提高向压电元件140传递力的效率。

带

返回到图1，外壳110与之固定的带具有双带结构。即，存在用于紧系在穿戴者手腕周围的内带130，以及围绕第一带(内带)形成环的外带120。外壳110实际上是固定在外带120上的。

外带120通过销接或固定连接而连接到外壳110。外带120的一端连接到内带130的相应端部，带扣(未示出)可连接到该端部。第二带(外带)的另一端通过粘合剂、螺纹、铆钉、带扣或任何其他方法连接到沿第一带的一点。

如图所示，第一带延伸超过该连接点，以便提供舌片，在该舌片上可以设置孔。这些孔可由带扣固定，以便将带紧固在手腕周围。

由较长长度的带制成的外带120松散地包围内带130。这允许该较长的带能相对于内带130移动。即，当穿戴者移动他的手时，外带120可围绕带扣摆动。内带130和外带120之间的环尺寸上的差异在内带130与外带120之间提供了间隙150，这为外带120的摆动提供了空间。

由弹性膜或织物制成的保护层可用于覆盖双带结构中的间隙150。覆盖所述间隙150使设备10看起来像没有明显间隙150的商业智能手表和智能表带。双带结构看起来仅像个厚带。为了简单起见，图1中未显示保护层。

通常，内带130就像典型手表的带。即，内带130由皮革或柔性塑料(诸如聚氯乙烯)制成。然而，优选地，内带130和外带120均由塑料(诸如聚氯乙烯)制成。在一些实施例中，外带120由刚性材料(诸如钢)制成。

压电元件140设置在外带120上。当外带120变形时，压电元件140与外带120一起拉伸或压缩，并将引起外带120的变形的力转换为电力。

在未示出的替代实施例中，压电元件140被放置在内带130上，并且当外带120摆动并撞击在压电元件140上时产生电力，冲击力能够转换为电力。

壳体和带的移动

用户的手的运动导致内壳100撞击在外壳110的内壁上，并且力被传递到外带120。由于内壳100可以在外壳110中来回滑动，并且由于外带120自由摆动，该冲击将用户的手的低频运动转换为设备10内的一系列重复冲击，提供运动的“频率上转换(frequency up-conversion)”。

优选地，压电元件140安装在外带的移动可能性较大的部分中。即，压电元件140被放置在带中这样的位置上，当外带120随着穿戴者用手进行日常任务而摆动时，带的所述位置可能弯曲。例如，如图1所示，外带120的侧部比外带120的示出为固定有外壳110的部分更容易弯曲。这通常是因为手在身体侧向移动比手的上下移动更频繁。

通常，在外带120的整个长度上，外带120具有均匀的横截面和厚度。然而，备选地，外带120在带上具有不同的较薄部段(未示出)。外带120的这些较薄部段是弱化的区域，其倾向于比较厚部段更容易弯曲，进而产生较大的弯曲应变。因而，这些较薄部段是带上用于紧固压电元件140的优选位置。而还可备选的是，带可以具有未示出的较窄部段(与横截面较薄部段相对)，这些较窄部段在带上提供了用于紧固压电元件140的更优选位置的部段。

压电元件140可以布置为双压电晶片(bimorph)或单压电晶片(unimorph)。考虑到结构的可靠性，当压电元件140由刚性压电材料(例如PZT，也称为锆钛酸铅)制成时，压电元件的尺寸不能太大。

能量流

电能来自能移动内壳100和固定外壳110中的压电元件140或电磁换能器181、190或182、190。

图6显示了示例性实施例的能量流。由于商用电子设备通常由DC(直流)电源驱动，因此AC-DC(交流-直流)电源管理电路是必不可少的。当手腕摆动时，它向设备10提供基本激励，导致设备10振动。在此过程中，由压电元件140通过直接压电效应或由电磁换能器190通过电磁感应将来自手腕的机械能转换为电能。电能由AC-DC整流器200整流，并且DC功率随后存储在能量存储元件210(例如电容器、超级电容器和电池等)中。能量存储元件210最终用于为商用智能手表和智能腕带的功能元件220(例如传感器、屏幕和蓝牙等)供电。

原型

图7显示了一个原型。该原型是根据图1中的设计制造的。内壳100和外壳110是根据图3a-图3c中底部的设计制造的。内壳100是一块重量为36克的商用手表。外壳110由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成，并通过3D打印技术制造。它们通过倒置的T形结构(照片中不可见)连接，该结构也由ABS制成并由3D打印机制造。在T形结构和外壳110之间有空间160。外带120由65锰钢(65MN)制成，并通过模具制造方法制造。外带120的形状是圆形，其半径为40mm、厚度为0.2mm、宽度为20mm。内带130是商用带，并通过螺钉在端部170和171处连接到外带120。外带120和内带130之间有间隙150。使用环氧树脂将十个单压电晶片附接到外带120的内表面上。每个压电元件140具有6mm的长度、0.2mm的厚度和20mm的宽度。两个相邻贴片(patch)之间的间距为14mm。

图8a-图8b是该原型在人手抖动运动中的实验结果。在实验中，测试人员将该原型戴在手腕上并抖动手。示波器(oscilloscope)记录电阻变化时的电压。作为比较，内壳100固定在外壳110上。图8a显示了两种情况下的开路电压的波形。由于内壳100和外壳110之间的机械冲击，具有内壳100的设计的最大开路电压是具有无内壳100设计的最大开路电压的三倍多。图8b显示了电压随电阻变化而变化。两种情况下的设备10的电压在较大电阻的情况下都显示出上升趋势。具有内壳100的设备10在400kΩ下可产生10伏的最大电压，而无内壳100的其对应物在400kΩ下的最大电压约为3伏。因此，与其无内壳100的对应物相比，该设计具有更好的性能。

带变型

为了使得对商用智能手表和智能腕带的改变最小，能量采集器也可以是单带结构。图2是设备20的等距视图，其为第二示例性实施例。在该设备20中，没有内带130和外带120；提供单个带131来系在穿戴者的手腕上。如图1的实施例所述，具有封装内壳100的外壳110。带131是商用手表带或表带。外壳110和带131之间的连接情况可以是销接或固定连接。当穿戴者移动他的手时，引起内壳100在外壳110内滑动。外壳110的内壁衬有压电元件140。因而，内壳100在外壳110上的冲击可用于在压电元件140中产生电力。

实施例的变型

用于吸收动能的另一种设计是磁性结构。图5a-图5b显示了替代压电元件140的备选实施例，电磁换能器设置在外壳110内，以从穿戴者的移动中产生电力。

在图5a的视图中，内壳101的外表面被示出为由金属线圈190包裹。两个磁体181嵌入外壳111的底部中。磁体以彼此相反的极性定向，以产生磁通量。当穿戴者移动他的手时，内壳100能够在外壳110中移动。线圈通过磁通量的移动产生感应并产生电力。

在图5b的视图中，内壳101的外表面被示出为由金属线圈190包裹。两个磁体182以相反的极性布置嵌入在外壳111的侧部中，以产生磁通量。

在一些实施例中，电磁换能器181、190或182、190都可以设置在与压电元件140相同的设备中(即，压电能量采集器)以采集能量。

其他实施例也落在本申请的预期范围内。例如，移动不需要是线性的，而是以围绕点的扭矩的形式旋转。图9显示了一个实施例，该实施例包括手表表面901，该手表表面可围绕紧固于带的下层圆盘自由旋转(由弯曲箭头指示)。手表表面设有向地面被偏压(由白色箭头指示)的配重903。当手表的带905系在穿戴者的手腕上，并且穿戴者随机移动他的手腕时，手表表面因配重而不时地旋转。这增加了手表表面的随机移动，其可由可旋转手表表面901下方的压电元件(未示出)或甚至磁性换能器(未示出)采集。

图10还显示了另一个实施例100，其中，用于显示数字时间信息的显示器1001通过螺旋弹簧1005连接到基座1003。窄的铁芯或导电芯(未示出)可以插入穿过螺旋弹簧1005的芯。基座可以隐藏布置两个或更多个磁体(未示出)以向线圈提供磁通量。穿戴本实施例1000的手的移动将引起平台相对于基座移动和摆动，导致螺旋弹簧1005切割磁通量以产生电力。

虽然已经描述了要穿戴在手腕上的设备，但可能穿戴一设备的其他身体部位也在本申请的考虑范围内，包括脚踝、颈部、躯干等。特别是，手腕和脚踝具有最随机和变化的移动，最适合从穿戴者身上采集能量。

非观看或监视设备的其他设备也落在本申请的考虑范围内。例如，手腕或脚踝的移动可用于仅为有源RFID射频识别芯片供电，以监控幼儿或囚犯的行踪。因此，并非所有实施例都必须具有观看或分析设备。

因此，实施例描述了包括可安全地穿戴在人体上的部分的可穿戴设备。实施例还包含抵靠固定部分可相对地移动的不接合部分。这些能移动部分从人的典型的受控移动中消除阻尼，允许随机移动在这些能移动部分中继续。这增加了这些移动部分所经历的移动的频率和振幅，并且导致这些移动的能量可以被采集并转换成电能，从而能够为设备供电。

因而，本公开描述了能够将移动引起的动能转换为电能的设备，即，冲击能量采集器。这些设备能够使用压电元件140经由直接压电效应和/或使用电磁换能器经由电磁感应将来自人体运动的动能转换为电能。

本公开利用了对商业智能手表和智能表带的配置进行极少改变的优点。它不会增加可穿戴设备的重量和体积。由于最小的变化，本发明将易于被可穿戴市场采用。在设备的最简单形式中，设备主要由以下部件组成：一个内壳100、一个外壳110、一个外带120、一个内带130、若干压电元件140和/或一个电磁换能器181、190或182、190。

虽然在前面的描述中已经描述了本发明的优选实施例，但是相关技术领域的技术人员将理解，在不脱离本发明所要求保护的范围的情况下，可以对设计、构造或运行的细节进行许多变化或修改。