基于压电振动的人体能量采集技术研究综述

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(1.深圳职业技术学院机电工程学院，广东 深圳 518055；2.哈尔滨工业大学(深圳)机电工程与自动化学院，广东 深圳 518055)

0 引言

无源供电方式可有效促进低功耗微电子设备和无线网络节点的发展。传统的电池供电具有寿命有限，维护和更换成本高等缺点，而利用能量收集装置将环境中的动能转换为电能的技术和方法成为研究热点，成为解决可替代能源问题的关键技术之一。另外，人们对身体健康的要求也促使用于健康监测的可穿戴智能设备或传感器迅速发展起来，而将人体运动能转换为电能并给可穿戴智能设备供电也引起了研究者的极大兴趣。

压电材料在外力的作用下会产生正压电效应，从而产生电能，而利用压电振动产生电能的装置称为压电能量收集器(PEH),其具有功率密度大、结构简单等特点。在此，首先从运动科学领域阐述了有关人体运动特性的研究，包括频率、加速度和动能等，然后从实验原型结构设计、动能的来源、实现方法和性能等方面系统地综述了当前国内外利用压电振动采集人体运动能的主要研究成果，并对后续研究和发展方向提出了展望和预测。

1 人体运动特性

最早有研究者在其文献中对人体日常各项运动如上肢运动、自然呼吸、步行等所能产生的机械能进行了比较研究[1]。其中步行运动所产生的动能可达60 W。同时，也从转换效率的角度对生物机械能转换为电能的可靠性进行了评估和分析。Yun等人研究了各类便携式微电子设备工作状态所需的平均功率[2]，如定位芯片的平均能耗约为15 mW，而MP3芯片的能耗仅为58 mW。故认为将人体运动的机械能通过压电材料转换为电能完全能够满足各类微电子设备或健康监测传感器所需的能耗，且步行运动是最有可能。

众多研究者从运动科学领域对人体运动特性进行了具体的分析和研究。如Tripathy等人在其文献中指出，对于一个中等身材(175 cm身高)，且体重在70 kg左右的人来说，其正常步态下的步行频率约为1 Hz[3]，而每步的平均距离在55～70 cm之间[4]；还有研究测试了脚后跟抬高时与地面约成46°，且相对于地面的垂直距离约为25 cm[5]；而脚后跟与地面碰撞的持续时间约为0.014 s[6]，此时的加速度可以达到5g[7]。综上所述，研究者认为这些运动特性能够让植入鞋底的压电梁产生充足的电能[6]。

Ylli等人研究认为，人的步行运动状态下主要有3种方式产生动能[8]。其中，脚后跟与地面碰撞和小腿摆动时可产生加速度脉冲，如图1a和图1c所示；而脚底与地面接触时由于人自身的重量可产生压力，如图1b所示。实验结果表明：当人以4 km/h的速度慢速步行时，小腿的摆动频率为0.82 Hz，且在水平方向和垂直方向上分别可以产生5.2g和4.4g的平均加速度；而在10 km/h的速度下跑步运行时，小腿摆动频率约为1.19 Hz，此时在水平方向和垂直方向上都可以产生约13g的平均加速度。

图1 步行运动状态及激励方式示意

2 能量收集研究现状

结合上述压电材料和人体运动特性的分析，利用压电振动收集人体运动能量主要有3种方式：利用人体自身的重量使得压电材料发生弯曲变形从而产生电能；利用脚后跟与地面碰撞时产生的加速度脉冲使压电梁振动；利用小腿的摆动来驱动压电梁振动。在此，将从上述3个方面对基于压电振动的人体运动能量收集技术的研究现状进行综述，并为后续研究提供参考和方向。

2.1 压电弯曲变形

PVDF是一种压电聚合体，其柔韧性好，变形大，但压电应变系数要远小于PZT材料，因而输出平均功率较小，但适合于承受交变载荷的场合，因此很多学者将PVDF材料植入鞋底，通过足部的压力使之产生变形从而产生电压。

Kymissis等人设计了一种嵌入式的压电能量收集器，分别将PVDF和PZT压电晶片安装在脚掌和脚后跟位置[9]，如图2所示，用于比较2种不同压电材料在人的正常步行状态下产生电能的效果。实验结果表明，PZT晶片的发电性能是PVDF材料的2倍；还设计了后续的储能电路和射频信号发送装置，平均每秒步行3～6步产生的电能就可以发射一个射频信号，这种设计可以取代电池为GPS定位仪、步程计等设备供电。Fourie[10]和Mateu[11]等人在此基础上从结构优化设计方面做了进一步的研究，并进行了实验验证。

图2 嵌入鞋底的压电能量收集装置

结合PVDF材料柔性强的特性，Jung等人将PVDF材料制作成可植入鞋底和安装在腕表上的弯曲形状结构，并分别进行试验测试[12]，如图3所示。其中装在腕表上的PVDF材料在手臂旋转条件下可以产生5 V以上的输出电压；另外，在正常步行条件下，植入鞋底的PVDF材料可以产生25 V的平均输出电压和20 μA的平均输出电流，而在跑步条件下，产生的的平均输出电压和输出电流更高，分别可达40 V和47 μA。

图3 弯曲式压电能量收集器

Haghbin制作了一个气泵式的压电能量收集装置，其实验原型装置如图4a所示[13]。通过压缩空气使得PZT薄膜发生弯曲变形，从而产生电能。整个能量收集装置是密封式的，既可保护压电材料，也可以很方便地植入鞋底并通过足跟的踩踏来产生电能，如图4 b所示。利用跑步机进行的实验测试表明，在4 mile/h的步行速度下可以产生1.24 mW的平均功率。

图4 嵌入鞋底的气泵式压电能量收集器

Leinonen等人设计了一种铙钹式的压电能量收集器，并将其植入鞋底，如图5所示[14]。其压电材料选用直径为35 mm的PZT-5H圆盘，并采用铙钹结构将压电圆盘封装并植入鞋底，在人体自身重量下产生变形。实验结果表明，在1 Hz的步态下最大可以产生约800 μW的平均功率，而且理论与实验的误差仅在7%以内。

图5 嵌入鞋底的铙钹式压电能量收集器

另外，Granstrom等人也充分利用了PVDF压电材料柔性强的特性，将PVDF安装在双肩包的背带内[15]，如图6所示，可通过背包的重量使PVDF产生应变从而产生电能，实验证明可以产生45.6 mW的平均功率。

图6 用背包肩带的压电能量收集装置

2.2 压电振动

PZT是最常用的压电材料，其压电应变系数大，输出电压高，缺点是比较脆，在变形较大时会发生脆性断裂，因此通常将PZT制作成悬臂梁的结构形式，并在振动的条件下产生电能。

如前所述，人的脚后跟在与地面碰撞瞬间能够产生5g的加速度，所以Moro等人将压电悬臂梁植入鞋的脚后跟处，利用步行时脚后跟的振动来产生电能，可以产生395 μW的平均功率，如图7所示[16]。

图7 嵌入鞋底的压电悬臂梁振动型能量收集器

Hwang等人设计了踏板式的压电振动能量收集装置，如图8所示[17]。实验结果表明，当体重为68 kg的人在踩踏装置两端的瓷砖时，与瓷砖相连的弹簧就可传递动能，驱动4个压电梁振动，在一个周期内可以产生约0.12 mW的平均功率。对该实验装置进行自由落体碰撞实验，80 g的钢球从1 m高度落到瓷砖时，可以产生约707 μW的平均功率，相比上述Moro等人研究的实验原型装置在功率方面可提高约203%。但这种分离式的结构设计，只能在刻意踩踏时才能产生电能，并不能像前面嵌入式的设计那样在人的正常步行状态条件下产生电能。

图8 踏板式压电能量收集器

Li等人首先从提高能量收集密度的角度出发，将压电悬臂梁自由端的质量块设计成曲线L型[18]，如图9所示。这样可以减少压电悬臂梁谐振频率，其功率密度可达1.45 μW /cm3，相对于传统的压电悬臂梁提高了68%左右。将压电梁安装在一个型腔中并植入鞋底，实验结果表明在3英里/小时的步行速度下平均输出功率可达49 μW。

图9 曲线L型质量块的压电能量收集装置

Meier等人根据人的步行运动特性提出一种压电振动和弯曲双模式的能量收集装置，如图10所示[19]。

图10 压电振动和弯曲双模式能量收集装置

压电材料安装在鞋底不同部位，既可随脚后跟的振动发电，也能因脚掌的压力导致弯曲变形而产生电能。其中，脚后跟部分采用刚性强的PZT材料，可以在振动的条件下发电；而柔性压电材料则安装脚掌处，在压力作用下产生弯曲变形。同时，能量收集装置中还安装了具有储能作用的集成电路模块以及传感模块。实验结果表明，一个身高1.8 m，体重90.7 kg的人从步行到跑步运动范围内，平均每步可以产生10～20 μJ的能量，且该数值是计算了储能电路中集成电路和储能电容的固有损耗之后的实际值。

上述研究都是以人脚后跟与地面碰撞所产生的垂直方向的振动加速度作为动力源来产生电能，而实际产生的振动加速度是多方向，只不过其他方向的振动频率非常低，此时若采用上变频原理就可沿其他方向的振动收集电能，从而提高整体的能量转换和收集效率。Fan等人设计了一种非线性振动的压电能量收集器，如图11所示[20]。该收集器由压电梁、套筒、钢球和带支撑柱的横梁组成，其中压电梁的自由度粘贴有磁铁块，而横梁的中间位置也有固定的磁铁块，套筒安装在压电梁下方平行位置，而钢球可在套筒里面自由滚动。实际工作中，压电梁沿垂直方向振动，钢球由于小腿的摆动而在套筒里面往复滚动，与上方磁铁产生变化的磁场，并驱动压电梁沿水平方向振动。实验结果表明，在2～8 km/h的运动速度范围内，可产生0.03～0.35 mW的平均功率。

图11 非线性振动压电能量收集器

国内的研究者如邬登金等人将压电陶瓷材料通过亚克力板安装在地面上，并利用超级电容作为介质来储存电能[21]，在一个小时的集中踩踏下可以产生约0.36 W的功率。杨鑫铭等人也设计了一种踩踏式的压电发电装置，并将其安装在楼梯台阶上[22]，如同发电地砖一样，通过人在上下楼梯时的踩踏力产生的平均电能约为0.08～0.18 mJ/次。

2.3 碰撞振动

由于每个人步行速度和步态不一样，其脚后跟产生的振动频率和加速度也不同，而压电梁在非谐振条件下输出功率会大幅下降，为解决这一问题，很多研究者利用压电碰撞振动的方法来收集电能。

Renaud等人研发了一种手摇式碰撞压电能量收集器[23-24]，如图12所示。在一个型腔的两端分别安装压电悬臂梁，同时在垂直方向设计一个可容纳滑块往复运动的轨道。实验结果表明，在10 Hz的手摇频率下，质量约为4 g的滑块沿轨道来回碰撞两边的压电梁，可以产生约600 μW的功率。

图12 手摇式压电能量收集装置

类似的，Halim提出一种混合压电和电磁2种发电方式的手摇式振动能量收集器[25]，通过碰撞的方式驱动压电梁高频谐振，同时压电梁上固定的磁铁也与线圈发生相对移动，这样就能实现压电和电磁同时发电，相对本文所研究的同型号电磁发电装置而言[26]，可以大幅地提高功率密度。

Pozzi 等人利用步行时小腿的摆动作为动力源设计了压电能量收集装置，如图13所示[27]。它包括转子、定子、拨片和压电晶片4部分，将其安装在膝关节附近，在步行状态下，当小腿往复摆动时，利用拨片来连续拨动压电悬臂梁从而产生电能[28]。实验结果证明，在背上24 kg的背包之后，可以产生高达2.06 mW的电能。

图13 膝关节连续拨动的压电能量收集方法

在此，提出了一种并行驱动的压电碰撞振动能量收集器，如图14所示[29]。且与压电梁平行放置，将实验装置安装在人的脚踝处，在步行时圆柱滑块上的多个圆弧面凸起就会碰撞压电梁末端的圆弧质量块，从而导致压电梁发生弯曲并自由振动。其中，圆弧质量块的优化设计可以提高反向行程的碰撞作用效果，提高输出功率[30]。实验结果表明，在5 km/h的步行速度下，外接20 kΩ电阻时可以最大输出51 μW的平均功率。在此研究的基础上，设计了双压电梁能量收集器，相对于前面的研究而言，功率密度提高约50.7%[31]。

图14 并行碰撞压电能量收集装置

3 结束语

基于压电振动的能量采集技术作为一种可再生能源技术，具有使用寿命长、不需维护且无污染等特点。本文综述了多种以人体运动为动力源的压电振动发电技术研究现状，并从结构设计、实现方法以及性能等方面进行了详述。随着可穿戴智能设备的发展以及人们对健康监测的需求，这类技术具有很广泛的应用前景，而目前的研究距离实用性还有一些差距，例如压电能量收集装置如何适应人体运动的低频特性以及各种不同的步态、如何提高用户体验、如何提高能量收集效率以及与智能监测技术的结合等方面。在后期研究中需要解决的问题和后期研究的方向和趋势主要有以下几个方面：

a.结合工业设计的概念以及鞋样的结构，进一步优化结构设计，满足人体舒适性和实用性要求。

b.考虑到压电振动输出的交流电特性以及非连续性，需要设计高效率、低功耗的储能集成电路模块，从而提高储能效率以及输出稳定的直流电。

c.结合健康监测传感和无线传感功能，实现基于人体运动的可穿戴智能设备自供电技术及应用。