基于人体工学的介电弹性体膝盖发电装置结构优化
穿戴式人体发电装置可以利用运动中人体的动能，转化为电能，并为人体可穿戴电子设备供电。这对于具有更换微电池需求或频繁充电的穿戴设备来说可以减小生产使用中的环境污染与能源损耗。而介电弹性体(Dielectric Elastomer，DE)是一种特殊的电活性聚合物材料，通常具有力-电传感、电驱动以及发电的作用。相比于其他发电功能材料具有的高能量密度、轻质、高弹性、高介电、易变形且可变形程度大等特点使其在发电功能材料领域具有更加巨大的研究与应用潜能，并逐渐受到国内外许多相关专家的关注与重视。本文在研究人体下肢膝关节在行走步态运动特性的基础上，对介电弹性体膝关节发电装置进行研究，具体工作如下: 1.基于人体下肢运动膝关节极限位置，设计了转轮式介电弹性体护膝发电装置的机械部分。通过查找与搜集人体膝关节静态外形与运动规律对转轮式发电机构的参数进行选择与优化设计，试制出了转轮式介电弹性体护膝发电装置的机械拉伸部分并安装在护膝上。最终设计的装置理论上拥有127.2mW发电功率。 2.为了提升膝盖发电装置的发电量，需增大装置中介电弹性体的拉伸倍率，由此提出了位移倍增类滑轮组式位移放大机构。该机构可以将介电弹性体在直线拉伸的位移按照滑轮组的绕线规律放大固定的倍数，从而在膝盖位移一定的情况下对介电弹性体的发电量进行提升。为了验证该机构的可行性，使用两种类滑轮组位移放大机构进行DE拉伸的力.位移测试，并对结果分析。根据结果得到3倍位移放大机构最优并确定了机构设计方案。最终获得理论上可发出172.5mW的装置。 3.为了进行多种DE拉伸测试，设计并制作了一种新型平面双向拉伸实验装置，并对DE材料在纯剪切拉伸模式下的力学性能、发电性能进行测试。通过对不同拉伸距离的控制，得到了对应的DEG发电峰波形图像以及最高电压值，以及相对的拉伸力、电容值。根据测得的数据计算出不同拉伸距离下的发电量、机械能消耗量以及机电转化效率。其中，DE材料剪切拉伸25mm时得到的电压峰值最高(120V)。并且对DEG中的DE回缩速度与电压峰值、电荷量以及发电量进行分析。得到了DEG发电量与DE回缩速度以及拉伸面积呈正比，且这两种影响因素具有协同效应。接着对两种DE拉伸发电机构进行了等效发电测试，对这两种发电装置中的发电相关特性进行了分析。最终选择3倍类滑轮位移放大机构作为发电护膝的拖动机构并根据实验数据进一步对其进行优化，理论上其发电功率为147.1mW。
人体发电装置;介电弹性体;人体工学;结构优化
北京化工大学
硕士
机械工程
黄尧;周聪群
2021
中文
TM31;TM302
2021-09-06（万方平台首次上网日期，不代表论文的发表时间）