Potential für Energy-Harvesting am bewegten menschlichen Körper

Abstract

Energy-Harvesting ist ein relativ neues Forschungsgebiet und trifft in vielen Bereichen der Technik auf rege Aufmerksamkeit. Eine freie Übersetzung dieses Begriffes lautet "Energie aus der Umgebung gewinnen". Konkret bedeutet das für diese Arbeit, aus der Bewegung (Energie) des menschlichen Körpers (Umgebung) elektrische Energie zu generieren, um so genannte Mikro-Elektro-Mechanische Sensoren betreiben und ein autarkes System kreieren zu können. Hierzu wird der Bewegungsablauf des menschlichen Ganges im Hinblick auf sein Potential zur Energiegewinnung durch Elektromagnetismus untersucht. Als Ausgangsbasis dienen Positionsmesswerte von bestimmten gemessen Punkten am Körper, welche durch Marker anhand von Ganganalysen ermittelt wurden. Um plausible Ergebnisse zu bekommen, mussten diese Werte gefiltert werden, um die für die durchgeführten Simulationen brauchbare Beschleunigungswerte zu erhalten. Da die, durch die Ganganalyse erhaltenen Positionswerte am Körperäußeren gemessen werden, wurden mittels biomechanischer Modelle die Aufzeichnungen dieser Marker auf bestimmte Körperpunkte (Gelenkszentren und ausgewählte markante Körperstellen) umgerechnet und Geschwindigkeit-, sowie Beschleunigungsverläufe berechnet. Mit einem in Matlab / Simulink aufgebauten Simulationsmodell eines Energy-Harvesting Systems, welches auf dem Prinzip des Elektromagnetismus beruht, und frei gewählten Systemabmessungen, konnten die erzielbaren Leistungen über den gesamten Körper berechnet und verglichen werden. Aufgrund der sehr klein gewählten zulässigen Abmessungen und der sehr geringen Frequenz der berechneten Eingangssignale ergaben sich starke Einschränkungen des Gesamtsystems hinsichtlich optimaler Auslegung des notwendigen Feder-Masse Systems und der Parameterauswahl des elektromagnetischen Systems. Dadurch fielen auch die, durch dieses Prinzip erzielbaren Leistungen, sehr gering aus, und Mikro-Elektro-Mechanische Sensoren können mit diesen Randbedingungen in keinem der betrachteten Punkte effizient betrieben werden. Zum Schluss wurde jedoch gezeigt, dass durch Veränderungen der Randbedingungen (Außenabmessungen, Spulenparameter, -) Leistungen im Mikrowattbereich, gemittelt über einen gesamten Gangzyklus, erzielt, und moderne Sensoren somit autark betrieben werden könnten.

Energy-harvesting is a new field of research which applies to many disciplines of technical engineering. A free translation of energy-harvesting would be "to get energy out of the environment". For the purpose of this master thesis it means to get work out of the motion (energy part) of the human body (environment) to actuate micro-electro-mechanical sensors which are energy-autonomous. Therefor the motion of the human body is analysed and tested with the principle of electromagnetism. Measured position values of certain points on the human body, which were determined through markers by gait analysis, serve as basis. To get reasonable results these values had to be filtered in order not to distort the acceleration data, which were necessary for the simulations carried out. Since the position data obtained by gait analysis is measured at exterior points of the body, the records of these markers were converted into specific points on the body, for example joint centres. Using biomechanical models, velocity and acceleration were calculated. A model of an energy-harvesting system with chosen dimensions based on the principle of electromagnetism was built in Matlab / Simulink to simulate and compare the attainable power at each of the observed points on the body. Due to the very small dimensions of the system and the low frequency of the input signals, some limitations were the consequences. The spring-mass system and some parameters of the electrical part of the energy-harvesting system could not be designed such that the system would operate at a useful working point. As a consequence of these requirements the output of the whole system was very low and a micro-electro-mechanical sensor could not be actuated with these boundary conditions. However, it could be shown that changes of dimensions or parameters have very great effects on the output of the whole system. With this changes power of some microwatt, averaged over one cycle, where simulated and modern sensors could be supplied with sufficient electric power.