Wearable Exoskeleton System for Energy Harvesting and Angle Sensing Based on a Piezoelectric Cantilever Generator Array

外骨骼 能量收集 可穿戴计算机 悬臂梁 计算机科学 能量(信号处理) 声学 模拟 工程类 嵌入式系统 物理 航空航天工程 量子力学
作者
Bingshan Hu,Jiangtao Xue,Dongjie Jiang,Puchuan Tan,Yiqian Wang,Minghao Liu,Hongliu Yu,Yang Zou,Zhou Li
出处
期刊:ACS Applied Materials & Interfaces [American Chemical Society]
卷期号:14 (32): 36622-36632 被引量:26
标识
DOI:10.1021/acsami.2c08757
摘要

Wearable exoskeletons are developing rapidly due to their superiority in improving human ability and efficiency. The construction of a multifunctional exoskeleton system relies on an efficient continuous energy supply and various high-performance sensors. Here, a magnetic-driven piezoelectric cantilever generator (MPCG) array is designed for energy harvesting and angle sensing of joint motions. Combining theoretical derivation and experimental characterization, it is found that the nonlinear magnetic force acting on the cantilever structure will cause the phenomenon of frequency upconversion, which greatly improves the output of the MPCG. The experiment successfully proves the feasibility of using the MPCG array as an energy-harvesting module to collect energy from human joint motions and power an RH/temp sensor. Furthermore, the MPCG array can also be used to sense the rotation angle and angular velocity. By integrating with a wireless data acquisition and transmission module and supporting software, a wearable joint rehabilitation monitoring and assessment system is built, which can measure the activities of the joint in real time and evaluate the flexion degree. The demonstrated wearable exoskeleton system for joint motion energy harvesting and joint angle sensing is of great value for the construction of a multifunctional exoskeleton system and wearable smart rehabilitation equipment.
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