基于并联机构六维谐振的压电式六维振动能量收集方法与关键技术研究

Vibration energy harvesting is a hot research area in the field of wireless sensor networks and micro-electro-mechanical systems, etc. The existing vibration energy harvesters can only harvest the vibration energy with single sensitive axial and narrow band, which lead to the problems of low efficiency and high level requirements for installation. In this project, a broadband six-degree-of-freedom (six-DOF) vibration energy harvesting method and the corresponding key technologies are proposed and explored. The research can be summarized in three aspects: Propose and explore the principle and design method a parallel mechanism based six-DOF, which can generate isotropic resonance in a multi-dimensional vibration environment, and investigate the possibility of extending the resonance frequency band through utilizing six legs mechanism with adjacent natural frequencies; Propose and explore single-axis piezoelectric vibration energy harvesters which are appropriate for the parallel mechanism based six-degree-of-freedom resonator, and investigate the approach to extend their band; Propose the method to establish a piezoelectric six-dimensional vibration energy harvester by integrating six single-axis piezoelectric vibration energy harvester into the six legs of a six-DOF resonator, respectively, and develop a multi-channel piezoelectric vibration energy harvesting circuit. On this basis, realize six-DOF vibration energy harvesting. This project will lay a theoretical foundation for the multi-dimensional development of the existing vibration energy harvesting technology, and promote the research of the energy harvesting technology into a new stage.

振动能量收集是无线传感器网络和微机电系统等领域研究热点。现有的振动能量收集器只能实现沿单个敏感轴向、较窄频带内的振动能量收集，其安装要求高、能量收集效率低。本项目提出并研究一种能够实现宽频带六维振动能量收集的方法及关键技术。具体研究内容概括为三个方面：提出并研究一种能够在环境多维振动激励下产生具有各向同性振动的基于并联机构的六自由度谐振器原理及其设计方法，探索通过参数优化使谐振器具有六阶相邻固有频率，以实现扩展谐振带宽的可能性；研究适合集成到基于并联机构的六自由度谐振器上的单轴压电式振动能量收集器及其频带拓宽方法；提出通过将六个单轴压电式振动能量收集器集成到六自由度谐振器的六条支腿上构成压电式六维振动能量收集器的方法，建立六通道的压电式振动能量收集电路,在此基础上实现压电式六维振动能量收集。通过本项目研究为振动能量收集技术向多维化发展奠定理论基础，推动能量收集技术研究进入新阶段。

针对振动能量收集技术面临的能量收集效率低、方向选择性强的问题，本项目提出并研究了一种能够实现六维振动能量收集的方法及关键技术。包括三方面内容：基于并联机构的六自由度谐振器的结构及其运动学和动力学模型研究；适合集成到基于并联机构的六自由度谐振器上的单轴压电式振动能量收集器研究；压电式六维振动能量收集器原理与系统研究。主要研究进展包括：提出了一种通过n条弹性支腿和球形铰将上平台支撑在基座上构成的六自由度谐振器结构，建立了六自由度谐振器的运动学和动力学模型，并通过仿真和实验验证了所建立模型的有效性；针对六自由度谐振器的结构特点，提出了一种适合集成到六自由度谐振器上的框式单自由度压电式振动能量收集器和一种单梁结构的单自由度压电式振动能量收集器，分析建立了其刚度方程和自然频率的方程，并通过仿真和实验验证了所建立模型的有效性；设计了一种单自由度压电式振动能量收集器电路。在此基础上，通过将上述单自由度压电式振动能量收集器集成到六自由度谐振器上，提出并研究了一种Stewart构型压电式六维振动能量收集器，以及一种具有3个共面压电梁的压电式六维振动能量收集器。为了对所开发的压电式六维振动能量收集器沿各方向的线振动和角振动能量收集特性进行实验测试，建立了六维振动能量收集器的测试方法和系统，提出和设计了一种能够用于多维振动测试和标定的角振动台。仿真和实验结果表明：所开发的Stewart构型压电式六维振动能量收集器具有17 Hz、25 Hz、47 Hz等多个谐振频率，对应6种不同的振动模式，能够实现多维振动能量的收集。所开发的具有3个共面压电梁的压电式六维振动能量收集器同样能够实现多维振动能量的收集，具有34 Hz、40 Hz、73 Hz等多个谐振频率。考虑到压电梁技术成熟，且平面压电梁易于利用MEMS技术加工，3个共面压电梁的压电式六维振动能量收集器极具潜力。本项目的研究工作和成果为振动能量收集技术向多维化发展奠定理论基础，推动能量收集技术研究进入新阶段。