一种双稳态机制能量收集背包，用于收集超低频人体振动能量并监测人体运动状态

《Sustainable Energy Technologies and Assessments》：A bistable-mechanism energy harvesting backpack for collecting ultra-low frequency human vibration energy and monitoring human movement states

双稳态机制能量采集背包设计及运动状态监测研究，通过磁耦合弹簧结构和齿轮传动实现超低频（1.0-3.0Hz）振动能量高效捕获与频率升压，在最佳配置下实现427.5V/2.65V电压输出，0.13W功率及60.19μW/cm3功率密度，结合LSTM模型对运动状态识别准确率达93.8%-95.4%

　　在当今科技迅速发展的背景下，人们的生活方式和健康意识正在发生深刻变化。随着可穿戴电子设备的广泛应用，例如智能手表、智能手环以及其他健康监测装置，这些设备在提升人们生活质量的同时，也对能量供应方式提出了更高要求。然而，目前大多数可穿戴设备仍然依赖于化学电池供电，这种依赖带来了诸多问题，包括频繁充电或更换电池给用户带来的不便，以及由于自然资源的枯竭导致的原材料短缺。因此，如何有效减少对传统电池的依赖，成为科研人员关注的重要课题。

人体运动过程中会产生大量的机械能，这种能量不仅可以作为可穿戴设备的能源来源，还可以用于监测人体活动状态。在运动过程中，人体的中心质量运动、关节运动、脚着地和肢体摆动等行为都会产生丰富的振动能量。这些能量的收集与利用，对于构建可持续、环保的能源供应系统具有重要意义。近年来，研究人员致力于开发能够将人体运动产生的机械能转化为电能的设备，其中一些成果已经展现出良好的应用前景。

然而，现有的人体能量收集设备仍然存在一些局限性。首先，许多设备在将低频振动能量转化为高频振动能量方面效果不佳，无法有效利用低频振动来提升能量转换效率。其次，大部分能量收集设备主要作为能源供应装置，用于为电子设备供电，而较少关注其自身的被动传感功能。因此，如何设计一种既能高效收集人体低频振动能量，又能实现对人体运动状态的监测，成为当前研究的重点方向。

基于上述研究背景和现有设备的不足，本文提出了一种新型的双稳机制能量收集背包（BM-EHB），旨在收集人体低频振动能量并监测人体运动状态。该设备由三个功能模块组成：压电能量发电模块、电磁能量发电模块以及传感模块。通过理论分析和实验验证，本文重点探讨了双稳机制对设备输出性能的影响，并进一步验证了关键变量在设备运行中的重要作用以及其有效的输出特性。

在压电能量发电模块中，引入了一种双自由度磁耦合系统，该系统结合了弹簧-质量结构，不仅能够减少纵向的使用周期，使设备更加紧凑，还能避免由于磁体偏移和轴向位移导致的磁干扰。这种设计使设备对外部激励更加敏感，提高了对压电片的激励次数，从而提升了人体运动能量的捕获效率。在电磁能量发电模块中，设备采用了齿轮与齿条结构，将人体中心质量的上下运动转化为工作轮的旋转运动，进而扫过线圈，实现频率的提升。相邻磁体的磁性不同，使得它们在安装时能够交替分布，从而在工作轮每旋转60°时，磁通方向发生变化，进一步提高了电磁能量的输出性能。在传感模块中，通过分析不同人体运动状态下磁体与线圈所产生的电信号差异，并结合LSTM深度学习模型进行运动状态识别，使BM-EHB具备了被动传感功能。

为了验证BM-EHB的性能，本文进行了理论分析和实验测试。理论分析部分主要探讨了双稳机制对设备输出性能的影响，而实验测试部分则通过搭建实验平台，研究了关键变量对设备输出性能的作用。实验结果表明，在最佳配置下，BM-EHB的压电能量发电单元和电磁能量发电单元在3.0 Hz的外部激励下可以分别达到最大输出电压427.5 V和2.65 V。在最佳匹配电阻下，设备的最大输出功率可达0.13 W，功率密度达到60.19 μW/cm3。这些结果表明，BM-EHB具备为多种微电子设备和LED提供供电的能力，验证了其设计的有效性。

此外，本文还利用LSTM模型对不同人体运动状态进行了识别。通过训练集和测试集的分析，识别准确率分别达到了93.8%和95.4%。这一结果表明，BM-EHB不仅能够收集能量，还具备对人体运动状态进行监测的能力，进一步拓展了其功能。通过结合能量收集与传感功能，BM-EHB能够实现对人体运动的全面感知，为可穿戴设备提供更加稳定、环保的能量来源。

从整体来看，BM-EHB的设计融合了机械结构与电子技术，不仅提高了能量收集效率，还增强了设备的多功能性。这种设计思路为未来可穿戴设备的发展提供了新的方向，即通过能量收集与传感功能的结合，实现更加智能化、可持续化的应用。此外，BM-EHB的结构设计使得设备更加轻便，适合日常使用，同时也减少了对传统电池的依赖，有助于推动环保理念的实现。

为了进一步验证BM-EHB的性能，本文进行了实验测试。实验测试的流程如图2(a)所示，主要包括设备组装、实验平台搭建以及变量对输出性能的影响分析。实验中使用的主要仪器包括电机（DS-400）、控制器（32420）、数字示波器（DS1102E RIGOL）、数字万用表（VICTOR 881D）以及电阻箱（ZX21e1）。通过实验数据的分析，可以得出BM-EHB在不同运动频率下的输出性能，进一步验证了其设计的合理性与有效性。

在实验过程中，研究人员发现，当外部激励频率设置为1.0–3.0 Hz时，BM-EHB的输出性能表现最佳。在开路状态下，压电能量发电单元和电磁能量发电单元分别能够达到427.5 V和2.65 V的最大输出电压。而在最佳匹配电阻下，设备的最大输出功率为0.13 W，功率密度为60.19 μW/cm3。这些数据表明，BM-EHB具备为多种微电子设备和LED提供稳定供电的能力，进一步验证了其设计的有效性。

此外，BM-EHB的传感模块在实验中展现出良好的识别能力。通过分析不同人体运动状态下磁体与线圈所产生的电信号差异，并结合LSTM模型进行运动状态识别，识别准确率分别达到了93.8%和95.4%。这一结果表明，BM-EHB不仅能够收集能量，还具备对人体运动状态进行监测的能力，进一步拓展了其功能。这种多功能设计使得BM-EHB能够满足不同应用场景的需求，为未来可穿戴设备的发展提供了新的思路。

综上所述，本文提出的BM-EHB是一种集能量收集与运动状态监测于一体的新型设备。通过理论分析和实验验证，本文不仅探讨了双稳机制对设备输出性能的影响，还验证了关键变量在设备运行中的重要作用以及其有效的输出特性。实验结果表明，BM-EHB在最佳配置下能够实现较高的能量输出，同时具备良好的运动状态识别能力，验证了其设计的合理性与有效性。这种设计不仅有助于减少对传统电池的依赖，还为可穿戴设备的可持续发展提供了新的解决方案。