具体实施方式

为了解决电池问题，能量采集器被用于利用来自人类日常活动的能量并且将浪费的能量转换成电力，即，将人力转换成电能。机械能和热能是用于该目的两个主要来源。温差发电器利用人体与周围环境的温差发电。对于腕戴式机械能量采集，主要的能量转换方法包括电磁效应、摩擦电效应和压电效应。

不希望受理论的约束，发明人通过他们自己的研究、试验和实验已经设计出，用于可穿戴设备的若干常用压电能量采集器需要可穿戴设备的显著结构变化，然而功率输出在微瓦水平下低，这不足以连续地向大多数目标可穿戴设备供电。不可避免地，为了折衷这样的电池限制，增加电池尺寸或者降低可穿戴设备的功耗。

参照图1至图11，提供了一种能量采集器100，包括：内带110；外带120，其被布置成围绕内带110，其中内带110在固定端20处耦合到外带120，并且内带110在自由端30处与外带120间隔开；以及能量发生器150，其被布置成通过在自由端30处内带110和外带120之间的相对运动产生电能。

在下文中，将参考附图详细描述示例性实施例。为了清楚地说明，示例性实施例的尺寸或厚度被夸大。

现在参考针对本发明的第一示例性实施例的图1至2。图1是结合能量采集器100的诸如健身跟踪器或智能手表或腕带的自供电手腕式可穿戴设备10的等距视图，其示出了主要部件和安装地点。为了简化，图1没有示出辅助部件，例如缠绕在带子周围的保护层、带扣结构和线连接。

可穿戴设备10主要由壳体130、携带壳体130的可穿戴带子以及用于为可穿戴设备10供电的能量采集器100构成。可穿戴设备10通过可穿戴带子被佩戴在手腕上，类似于手表和表带。

能量采集器100是仿生双层带压电能量采集器的形式，并且具有独特的双层带设计。在这种布置中，它包括用于将整个设备100固定在手腕上的内带110、用于支撑表体的壳130的外带120、以及一个或多个能量发生器150，该能量发生器优选地由包括诸如压电陶瓷的压电材料的压电元件形成，用于将机械能转换成电能。

能量采集器100的结构模仿啄木鸟头部的形态结构。该形态结构包括：颅骨，用于吸收传播到啄木鸟大脑的震动；喙，用于通过将入射的机械刺激向颈部区域移动来防止大脑损伤和神经创伤远离大脑；以及Y形舌骨，其分成两个带子并环绕颅骨的头骨。舌骨主要起四种作用。首先，它刚性地支撑啄木鸟的舌头，并允许舌头伸展或收缩。第二，舌骨的作用类似于头骨的安全带，从而加强头骨并增强啄木鸟头部的稳定性。第三，舌骨有助于吸收作为应力波传播路径的震动。最后，舌骨中的预负载使啄木鸟能够调节其固有频率，并避免头部由于共振而受伤。

能量采集器100和手腕一起形成仿生能量采集系统。类似于啄木鸟颅骨的手腕用作系统的基础。壳体对应于喙。它能够接收来自外部(例如手)的冲击力，或者来自手腕的惯性能量。内带和外带代表Y形舌骨的两个分支。

内带110用于将整个设备固定在手腕上，同时不会给佩戴者造成任何不舒服的负担。优选地，它是柔性带子，由通常的表带材料制成，例如皮革、尼龙、布、橡胶、金属链和/或其组合。

内带110包括第一臂112和第二臂114，它们可连接在一起以形成闭环，从而固定到人肢体上，并且可彼此释放以形成开环。内带110具有与常见手表相似的结构和连接方法。例如，内带110通过带扣或折叠扣或销孔结构闭合。

外带120是弯曲的复合梁。它是在内带110上围绕手腕的椭圆形弹性细梁。外带120通过粘合剂或其它连接方法在带扣端附近与内带110固定。外带120由弹性材料例如钢或塑料制成。它比内带110相对更硬。

压电元件150附着在外带120的表面上，以从表体130的运动捕获应变能。刚性外带120可以承受壳体的重量，并有效地将力传递到所附着的压电片150。外带120可以在垂直于下臂的平面内相对于手腕移动。

壳体130固定在外带120的顶部。连接条件可以是销接的或不变的。壳体130包含用于可穿戴设备的功能单元，例如屏幕、传感器、MCU、无线通信和功率管理电路等。壳体130可以包含表体或其它功能单元。

图2是自供电手腕式可穿戴实施例的主视图。为了简单起见，下文不绘制带扣单元。

从这个角度看，清楚地示出了内带110和外带120之间的间隙32。间隙32一方面允许外带120相对于固定在手腕上的内带110移动，另一方面限制了外带120的移动范围以保护可穿戴设备10免受大的变形、过载和疲劳。内带110和外带120示出了椭圆形几何形状。

优选地，压电元件150可以在多个位置上附着到外带120。压电元件的适当布置对于有效地拾取能量是必要的。在发明人进行的一个实验中，为了确定安装压电元件的位置，在5.5版本的COMSOL 中进行应力分析。分析中，用于外带的材料是65锰(65MN)钢。该材料具有高弹性极限和低机械阻尼。高弹性极限保证了外带在不会发生塑性变形的情况下承受大激励的能力，降低了对压电元件的力传递效率。低机械阻尼能够减轻振动系统的能量耗散。表1中列出了壳体和外带的物理特性。此外，考虑到系统的面内运动，研究了当壳体表面分别施加x方向和y方向负载时的应力场(参见图3A和3B)。由于内带用于将整个设备固定到手腕上，因此在模型中它被两个固定端代替。

表1 65MN钢和PZT-5H的物理特性

图3A和3B分别示出了在x和y方向上的单位力下的范式等效应力(von-Misesstress)。在两种情况下，壳体和外带(区域1)以及固定端(区域5)之间的接合部具有高应力。虽然在x方向的力的作用下，外带(区域3)的中间的应力最小，但是在y方向的力的作用下，该应力相当大。区域2位于区域1和区域3的中间附近，区域4位于区域3和区域5的中间附近。当施加x方向的力时，区域2和4显示出大的应力。相反，这两个区域在y方向运动下不能有效地吸收应变能。为了同时从x和y方向的运动捕获能量，五个压电片分别被附着到外带的每一侧的区域1至5。

考虑到原型的制造，在图1和2的示例性实施例中，成对的压电元件150在固定端20处和两个椭圆形顶点40附近均匀地附着到外带120。可选地，可添加更多的压电元件150以产生更多的电能。

压电元件150可以直接并联或串联电连接。在并联连接中，输出电流将增加；在串联连接中，输出电压将增加。压电元件150也可以彼此电隔离，用于防止当每个压电元件的应力状态差别很大时的潜在电荷消除。

现在参考图4至5，用于本发明的第二示例性实施例。

图4示出了第二示例性实施例的外带120的横截面。外带120是复合弹性梁，即复合层。实质上，它包括弹性衬底层122并且包括粘附到弹性衬底层122的压电元件层124。当弹性衬底层122经受变形时，压电层124受应力，并且因此由压电层124产生电能。

外带120的衬底层122可以完全被压电元件层124覆盖，或者部分地被压电元件层124覆盖。可选地，可以提供用于覆盖压电元件层124的保护层126。

外带120的几何形状和材料参数被优化，使得大部分应力被加载到压电元件124。为了简单起见，压电元件124的电极和复合材料的粘合剂层在图中没有画出。

外带120可以是只包括一个弹性衬底层122和一个压电元件层124以及附加保护层126的单压电晶片梁120a。作为选择并且更优选地，外带120也可以是双压电晶片梁120b，其是指被两个压电元件层124夹在中间并且进一步被两个保护层126包裹的一个弹性衬底层122。

保护层126被设计成保护压电元件124不受外部环境影响，例如防水和防尘，并且几乎不影响应力条件。例如，弹性膜或可变形织物可以引入到该实施例中作为保护层126。它连接内带110和外带120，并缠绕双带结构。被缠绕的内带110和外带120通过弹性膜126是不可见的。因此，由于保护层126的存在，从外部不能看到两层设计，即弹性衬底层122和压电元件层124。

图5示出了另一个示例性实施例的外带120上的压电元件150的布局，其中具有并入了如图4中所示和如上所述的双压电晶片结构120b的均匀复合梁。本实施例为对称结构，因此为简单起见，在此仅画出一半。

为了分析工作原理，将外带120与内带110连接的一端简化为固定端20；与壳体130连接的外带120的另一端被认为是可移动端，即自由端。如图5所示，外带120由弹性衬底层122、在弹性衬底层122一侧上的压电元件层124以及在弹性衬底层122另一侧上的压电元件层124组成。

当结构变形时，两个压电层124将经历不同的应力状态，一个被压缩，另一个被拉伸，使得电压响应具有相反的符号，一个为正，另一个为负。此外，沿外带120的应力分布变化，压电层124中附着的压电元件150的电压响应也变化。因此，压电元件150彼此不直接连接。优选地，能量采集器100包括功率管理电路，以处理分别从每个压电元件150输入的电能，并依次整流多个AC输入。

发明人还设计了如果外带120完全被压电元件150覆盖，这将是昂贵的并且也对功率管理电路提出挑战。本发明还涉及应力集中的复合外带120，其减少了压电元件150的数量并提高了产生的电能。

现在参考图6，用于本发明的第三示例性实施例。图6是具有应力集中复合梁的另一示例性实施例的外带120上的压电元件150的布局。为了简单起见，这里没有画出内带110。

图6示出了在其长度上具有可变宽度的优化的外带120。如图所示，与图1至图4所示的前述实施例相比，简化的示例性实施例不具有作为外带120的均匀的梁。在两个顶点40周围，宽度较小，使得应力存在并集中在这些区域周围。压电元件150仅放置在这些应力集中位置上以获取能量。这样，使用了较少数量的压电元件150，因此这简化了功率管理。

或者，外带120可以被制造成具有可变的厚度。通过3D打印技术可以容易地制造厚度变化的梁。这样，应力也能够集中到被附着压电元件150的点40。

可选地，宽度变化方法也可以与厚度变化方法一起实施，从而便于通过压电元件150在外带120上收集能量。

图7是本发明的又一示例性实施例。它包括内带110、外带120、壳体130和通过其两个端部142、144连接在内带110和外带120之间的多个连接件140。连接件140是纳米线，每个纳米线嵌入有小的压电复合物150。与压电元件被附着在外带120上的上述实施例不同，在此实施例中，压电元件150被构造在内带110和外带120之间。压电复合物150像弹簧一样工作，并且支撑外带120和壳体130。压电复合物150可以是如图4所示的单压电晶片120a或双压电晶片120b。

当外带120相对于内带110移动时，压电复合物150将经受来自两个端部142、144的弯曲或甚至扣住的负载。压电复合材料150和内带110与外带120之间的间隙32的参数需要仔细设计，以实现高功率输出，同时避免过应力和疲劳。

本公开还阐述了一种用于使用由能量采集器100产生的电力的方法。由能量采集器产生的AC电力经由电缆线被传输到壳体中的功率管理电路。功率管理电路主要包括AC-DC转换器、阻抗匹配电路、储能元件(超级电容器或电池)。

图8示出了一个示例性功率管理电路拓扑200。压电元件150电连接到整流器电路160，其将AC电流转换成DC电流。然后，DC-DC转换器170用于管理用于随后的能量存储元件180的处于适当电压水平的DC输出。可再充电电池或超级电容器可以用作能量存储元件180，其为可穿戴设备10的功能单元提供恒定功率，所述功能单元诸如显示屏、无线通信模块190(例如，蓝牙LE)、MCU 192和传感器194(GPS、加速度计、温度、光、气压计)。

参照图9，在整流器电路160的配置中，每个压电元件的一个电极独立地连接到具有两个二极管的半桥支路，而其余的共享相同的半桥支路。与标准电路和同步开关电路相比，该整流器电路160具有如下优点：i)整流器的电路配置简单且可扩展；ii)由于在电路中使用了少量二极管，整流器节省了成本并减少了功率消耗，iii)整流器消除了来自具有不同电压极性的能量源的电荷中和效应，从而能够统一多个源而不管它们的相位差。在整流之后，功率被负载消耗。

除了一些传感器之外，所有的电路将安装在壳体130中。有两个位置用于安装传感器。一个在壳体130中，另一个在内带110上。优选地，将所有传感器集成在壳体130中以降低制造和安装成本。

然而，对于一些特殊的传感器，例如GSR传感器，最好与内带110集成。加速度计也可以与牢固地结合在手腕上的内带110集成以精确地测量身体运动。对于心跳监测，我们可以在内带110的顶部上打孔，使得光传感器可以监测身体皮肤。

通常，能量可以通过两种操作模式中的一种来收集，即惯性能量采集器和非惯性能量采集器，例如直接激励能量采集器。

惯性能量采集器是这样的换能器，其固定在振动基座上，并且由于惯性效应而相对于振动基座移动。一种惯性能量采集器包括质量块(proof mass)以从惯性效应捕获更多动能。

另一种类型的能量采集器被称为直接激励能量采集器，对于该直接激励能量采集器，质量块不是必需的，并且它们从直接施加到它们的负载采集能量。

本公开阐述了一种通过佩戴能量采集器100来采集电能的方法。这里，本发明具有两种操作模式，因此属于惯性能量采集器和直接激励能量采集器的两种类别。

图10和11示出了两种激励模式中的每一种：1)手腕振动模式，其可操作以捕获在人类日常活动期间由来自重力的惯性效应和手臂运动引起的动能；以及2)手冲击模式，其可操作以在手故意撞击壳体时捕获冲击能量。两种激励模式都引起外带的变形。变形进一步传递到压电元件，同时通过直接压电效应转换成交流电，从而实现机械能到电能的转换。然后，交流电被整流器转换成直流电，直流电流入能量存储单元。能量存储单元持续驱动包括屏幕、无线模块和各种传感器等的功能元件。现在将在下面详细描述这些激励模式。

参照图10，手腕运动可以是在手腕横截面的平面内/外的任何方向。壳体130用作质量块，并将响应于基本激励。壳体130相对于固定内带110的运动导致外带120中的应变和应力。外带120的应变进一步传递到附着在其表面上的压电元件150。通过压电效应，压电元件150上的变化的应变被转换成交流电。电流最终由壳体130中的电路管理和使用。

本发明利用了壳重量，例如表体。它不会给可穿戴10引入额外的重量。表体130用作所提出的惯性式振动能量采集器100中的惯性质量。

对于直接激励能量采集，如图11所示，外带120中的所需应变由手轻敲引起。手冲击模式模拟啄木鸟的击鼓过程。它在两个方面起作用。第一，第二操作模式使得设备能够收集用于不经常活动的穿戴者的能量。其次，操作模式补偿在非共振(off-resonance)频率处的低输出功率。手的轻敲将直接在壳体130上施加负载，并通过壳体130的垂直运动使外带120变形。该变形在压电元件150上引起应变，并最终通过压电效应产生电力。

为了研究仿生能量采集器的动态特性，进行有限元分析。模拟中所用组分的物理特性列于上述表1中。与上述静态分析类似，在模型中应用两个固定端。只考虑面内振动。图12A和12B示出了第一-第二模式形状和相应的固有频率。第一、第二固有频率分别为6.92Hz和26.22Hz。

为了清楚起见，未变形的结构也在图中示出。如可以观察到的，第一和第二模式形状分别关于y方向是反对称和对称的。因此，在以下的振动实验中，激励将相应地施加在x和y方向上。

图13示出了本发明的一个示例性实施例。为了简单起见，这里仅示出了外带120。外带120可由丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)制成并通过3D打印技术制造。外带120的形状是具有半长轴、半短轴、均匀厚度和均匀宽度的椭圆。在外带120的顶部处的质量代表壳体130。如图4所示的两个双压电晶片120b在固定端20和椭圆形顶点40处附着到外带120。

通过轻柔的手轻敲激励，具有一个压电元件150的能量采集器100针对一个压电片150产生25伏的最大电压和1毫瓦(mW)的最大功率(参见图14)。或者，如果六个双压电晶片120b安装在应力集中点40，则可产生超过12毫瓦(mW)的功率。因此，多个压电元件150的布置可以增加每个手腕运动所采集的电能。

为了说明仿生双层带能量采集器100的性能，发明人制造了另一原型，如图15A所示。由于人的手腕的横截面近似为椭圆形，因此外带120被设计成圆形以匹配手腕形状。由常用尼龙制成的内带110是商用表带。内带110的这种选择确保整个设备牢固地固定在手腕上而没有任何不适。为了简单起见，在这个阶段，使用螺钉111连接外带120和内带110。在以下动态实验中，考虑到内带110的功能是固定装置，将内带110移除。外带120和内带110之间的连接是固定的。总共十个压电元件150通过环氧树脂以均匀的间隔粘合到外带120的两个分支上。在附着之后，所有压电元件150保持完整性而没有任何损坏。用于外带120的材料是锰钢。活性材料为压电陶瓷PZT-5H。上述表1分别列出了原型的物理性质。

进行振动测试以表征所提出的能量采集器100的功能。图15B显示了实验平台。该原型沿着x或y方向(与图3A中所示的相同)，对应于手腕的运动方向，被安装在电磁振动器(ETS Solutions(China)Ltd，L215M)上。由振动器113提供的激励经由计算机上的软件接口设置，并被传递到控制器(DynaTronic Corporation，VENZO 800)。然后，控制器通过功率放大器将指令从计算机传送到振动器113。命令的精度由来自加速度计传感器的反馈信号保证。在操作时，使用具有0.5g(g＝9.8m/s²)加速度幅度的谐波激励。当进行扫频测试时，线性扫频速率被设置为0.1Hz/s。该原型由整流器160调节，其电路配置在图9中示出。为了获得最佳电阻负载或存储电能，电阻或电容115被连接到整流器160中，并且其电响应由示波器(Rohde&Schwarz，RTE 1024)测量。振动实验首先在x方向上的谐波激励下进行，以获得所提出的采集器的总体性能。在实验中，扫描频率的范围是5Hz到10Hz。图16A和16B分别示出了机械响应和电性能。发现整流器成功地将AC转换成DC。仿生采集器在6.50Hz至7.00Hz之间有效工作。对于该设备，在6.66Hz时，最大开路输出电压达到67.99V左右。另外，短路输出电流为0.35mA。如所预期的，输出电压随着电阻的增加而呈现向上的趋势，而当电阻等于47kΩ时，设备的输出功率达到6.52mW的最大值。利用整流器，还示出了当在x方向上振动时，设计对各种电容充电的能力。使用6.66Hz的频率。从图17A中可以发现，在10秒内，具有4.7μF、10μF和47μF的电容分别被充电到37.20V、26.57V和10.89V。作为代表性的情况，图15A中示出了区域1中的片(片#1)的电性能。在频率扫描测试中，片#1直接与电阻连接而没有整流器。图17B示出了输出电压和功率随片的电阻变化的变化。发现当电阻为100kΩ时，片#1的最高输出功率为1.92mW。对于片，最大开路输出电压为约41.88V。可以得出结论，与一个片相比，多个片的较高输出功率由多个能量源和低最佳电阻两者产生。

在y方向上测试谐波激励下的原型。此时，采集器沿y方向安装，扫描频率设置为20Hz至30Hz。整流后的开路输出电压的频率响应如图18A所示。系统的谐振频率为25.05Hz，与仿真结果一致。在该频率下，开路输出电压达到62.78V的最大值。与x方向激励下的情况不同，在特定频率而不是频率范围获得最大电响应。在这种情况下，区别源于系统以线性方式振动，而在x方向激励下可以观察到非线性特性。短路输出电流为0.51mA。图18B绘出了当电阻变化时仿生能量采集器的输出电压。发现输出电压和功率的趋势与x方向振动的情况类似。当电阻为47kΩ时，设备的最大输出功率为7.68mW。在25.05Hz的频率下，如图19A所示，三个电容在10秒内充电。4.7μF、10μF和47μF电容分别充电到39.53V、32.99V和16.06V。对于片#1的代表性情况(图19B)，在100kΩ的电阻处出现2.75mW的最大输出功率，并且在500kΩ处输出电压是31.43V。与x方向的振动模式相比，y方向振动模式的设备显示出稍高的输出功率。两种振动模式下的最佳电阻接近。

图20示出了用于手冲击测试的实验设置。原型固定在外带120的两端20。高度限制器117垂直放置以用作手腕。它还可以保护活性材料免受大的变形和疲劳。壳130和高度限制器117之间的间隙距离被设定为5mm。间隙32允许壳体130相对于高度限制器117的相对运动。在实验中，手轻敲直接施加冲击负载到壳体130上，并且通过壳体130的垂直运动使外带120和压电片150变形。此外，电路配置与图8中的相同。

分析仿生能量采集器的时域响应。开路输出电压在急剧上升后逐渐下降，达到最大值54.00V。短路电流达到0.50mW。类似于冲击式能量采集器，整个设备在冲击之后以其固有频率振动。为了估计最高输出功率和相应的最佳电阻，在各种电阻下测量电信号。在30kΩ(这略低于振动模式中的最佳电阻)的电阻处获得原型的15.41mW的最大输出功率。在大约2Hz冲击频率的情况下，显示出在20秒内，具有4.7μF、10μF和47μF的电容分别被充电至21.39V、15.12V和8.03V。示出片#1的最大输出功率是8.39mW，对应的电阻是20kΩ，并且其输出电压在200kΩ的电阻下是大约31.25V。本发明的能量密度是现有腕带式采集器的10倍左右。

为了进一步说明仿生能量采集器的自供电能力，执行现场演示。采集器由测试者佩戴。电路配置与图8中的相同。为了清楚起见，使用额外的表或屏幕来与整流器之后的电容连接。但是应当注意，在实际应用场景中，所有组件可以集成到手表或腕带中。在第一次演示中，测试者轻微地敲手表。在大约5秒的手轻敲之后，手表或屏幕被激活并且当轻敲继续时保持工作。在第二个演示中，测试者以正常步速行走。观察到手表和屏幕两者都可持续工作。这些示范表明所提出的仿生设计实现能量自主的能力和被市场采用的有前景的潜力。

本发明利用了诸如表带的可穿戴设备的带，并且特别地，能量采集功能的集成仅对通常使用的腕式可穿戴设备(例如手表)的结构和/或配置带来非常少的改变，不占用用于容纳能量发生器150的额外体积，并且可以通过采集与诸如身体运动、手腕运动的人类运动相关联的动能来发电。无休止的人体运动足以连续地向手腕可穿戴设备提供电力，而不需要任何一次性电池，例如钮扣电池。通过这种最小的改变，本发明可以被制造为套件并且适于替换市场中的任何其他可穿戴设备的条带。

本发明能够充分驱动大多数现有的商业智能手表和腕带，其具有大约0.14-1.7mW的功耗。本发明的应用将不会对智能手表和腕带的功能产生任何影响，并且将有助于减轻来自电化学电池的环境污染。此外，可以引入薄的且可变形的织物以缠绕内带和外带。这种织物保证了智能手表和腕带的美学外观。可以设计小尺寸折叠扣或可调节的小工具来连接两个带。该调节允许具有不同尺寸手腕的各种使用者舒适地佩戴它。其它改进包括压电片数量的增加、导线的减少以及功率管理电路的小型化和优化。除了腕戴式设备之外，该设计可以容易地扩展到用于其他身体区域的可穿戴设备，诸如腿、四肢和踝，并且扩展到各种应用，诸如动物行为研究。

关于上述说明，应当认识到，针对本发明的部分，在尺寸、形状、形式、材料、功能和操作方式、组装和使用方面的最佳关系对于本领域技术人员来说是显而易见的，并且与附图中所示和说明书中所述的那些关系等同的所有关系都旨在被本发明所涵盖。

以上描述了本发明的一些示例性实施例(或多个实施例)，并且在不脱离本发明的范围的情况下，可以对其进行对于本领域技术人员显而易见的修改。尽管已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应当理解，本发明可以以许多其它形式实施。

在本说明书中对任何现有技术的参考不是并且不应该被认为是对现有技术形成世界上任何国家的努力领域中的公知常识的一部分的承认或任何形式的建议。

尽管已经根据某些实施例描述了本公开，但是对于本领域普通技术人员显而易见的其它实施例也在本公开的范围内。因此，在不脱离本公开的精神和范围的情况下，可以进行各种改变和修改。例如，各种部件可以根据需要重新定位。来自任何所述实施例的特征可以彼此组合和/或装置可以包括上述实施例的一个、多个或所有特征。此外，并非所有的特征、方面和优点都是实践本公开所必需的。因此，本公开的范围旨在仅由所附权利要求限定。

所描述的各种配置或实施例仅是示例性配置。来自任何配置的任何一个或多个特征可以与来自任何其它配置的任何一个或多个特征结合使用。