[发明专利]一种将振动和摆动转换为单向转动的运动转换机构及方法

说明书

本发明属于机械传动和能量转换技术领域，尤其涉及一种将振动和摆动转换为单向转动的运动转换机构及方法，其特征是：至少包括圆柱形外壳(1)、振动能量输入单元、转动输出单元，振动能量输入单元和转动输出单元分别同轴通过径向轴承(2)轴连接在圆柱形外壳腔内同心轴上，振动能量输入单元通过弹性拨片与转动输出单元连接，将振动能量通过振动能量输入单元转换成转动输出单元的轴转动运动进行能量输出。它提供一种结构简单、尺寸小、使用方式灵活、适应性强、可将周围环境中的振动和摆动转换为单向转动的运动转换机构及方法。

技术领域

本发明属于机械传动和能量转换技术领域，尤其涉及一种将振动和摆动转换为单向转动的运动转换机构及方法，该机构可将周围环境中的振动和摆动转换为转子的单向高速旋转运动，在能量收集领域具有广泛的应用。

背景技术

将振动转换为旋转运动的运动转换机构在实际中应用非常广泛。典型的将振动转换为旋转运动的机构包括齿轮齿条机构和棘轮棘爪机构，例如，齿轮齿条式气缸利用齿轮齿条机构将振动转换为旋转运动，铸造车间中的浇铸自动线步进装置利用棘轮棘爪机构将振动转换为旋转运动。

近年来，随着能量收集技术的迅速发展，各类微小型化的俘能器不断涌现并与各种低功耗电子设备集成，有望实现自供电、自驱动、自维持的微系统、微器件。将振动转换为旋转运动的运动转换机构为俘能器的设计及振动能的收集提供了新思路。

典型的用于能量收集的运动转换机构如Zhongjie Li，Lei Zuo，Jian Kuang andGeorge Luhrs在《Smart Materials and Structures》22（2013）：025008撰文的“Energy-harvesting shock absorber with a mechanical motion rectifier”（“带机械运动校正器的俘能减振器”《智能材料与结构》）。该文使用齿轮齿条机构将振动转换为双向旋转运动。

典型的用于能量收集的运动转换机构如Yulong Zhang，Anxin Luo，Yifan Wang，Xiangtian Dai，Yan Lu，Fei Wang在《Applied Physics Letters》116（2020）：053902撰文的“Rotational electromagnetic energy harvester for human motion applicationat low frequency”（“应用于低频人体运动的旋转电磁式俘能器”《应用物理快报》）。该文通过扭转驱动结构和棘轮棘爪机构将振动转换为单向旋转运动。

典型的用于能量收集的运动转换机构如Qinxue Tan，Kangqi Fan，Kai Tao，LiyaZhao，Meiling Cai在《Energy》196（2020）：117107撰文的“A two-degree-of-freedomstring-driven rotor for efficient energy harvesting from ultra-low frequencyexcitations”（“一种可有效从超低频激励中收集能量的两自由度线绳驱动转子”《能源》）。该文通过两根线绳驱动的转子结构将振动转换为双向旋转运动。

上述运动转换机构存在的缺点有：（1）齿轮齿条机构和棘轮棘爪机构结构复杂、体积庞大，难以与低功耗电子设备集成；（2）线绳驱动的转子结构双向旋转状态不稳定，能量损耗较大；（3）周围环境中不仅存在各种各样的机械振动，而且存在大量的摆动运动，如树枝的摆动，人体的运动，海浪运动等。上述装置仅能将振动转换为旋转运动，无法适应环境中大量存在的摆动运动。

为解决上述运动转换机构存在的问题，本发明提出一种结构简单、不受谐振工作条件的限制、适应性较强、使用方式灵活多样，可以和不同的能量转换机制相结合的将振动和摆动转换为单向转动的运动转换机构及方法。

发明内容