機(jī)械能量采集動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法1)

趙林川 陳澤文?, 鄒鴻翔?,,2) 孟 光 張文明,3)

* (上海交通大學(xué)機(jī)械系統(tǒng)與振動(dòng)全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200240)

? (湖南工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院,湖南湘潭 411104)

** (長(zhǎng)沙理工大學(xué)汽車與機(jī)械工程學(xué)院,長(zhǎng)沙 410114)

引言

物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的飛速發(fā)展,有望實(shí)現(xiàn)人與人、人與物、物與物之間的連接互通,為創(chuàng)建智能化世界奠定基礎(chǔ)[1-2].傳感器作為物聯(lián)網(wǎng)的“神經(jīng)末梢”,是感知外界的基礎(chǔ)元件,如何對(duì)廣泛分布的傳感器長(zhǎng)期有效供能是傳感器網(wǎng)絡(luò)發(fā)展的瓶頸問題之一.目前,大多數(shù)傳感器依靠化學(xué)電池供電,化學(xué)電池會(huì)產(chǎn)生環(huán)境污染且使用壽命有限.并且,傳感器數(shù)量龐大、分布范圍廣,更換電池困難,有些傳感器布置在特殊環(huán)境難以維護(hù).另一方面,隨著新型材料、微納制造和集成電路等技術(shù)的迅速發(fā)展,微電子器件的能耗顯著降低.因此,能量采集技術(shù)應(yīng)運(yùn)而生,即采集自然界中廣泛存在的分布式、無序式、低品質(zhì)的高熵能源并轉(zhuǎn)換為電能,為廣泛分布的低功耗傳感器供能,是有效解決物聯(lián)網(wǎng)供能問題的有效途徑之一[3-6].

機(jī)械能量是環(huán)境中最普遍存在的能量之一,如風(fēng)、波浪、高精尖設(shè)備運(yùn)行、車輛行駛、人體運(yùn)動(dòng)和機(jī)械振動(dòng)等等.然而,環(huán)境中的機(jī)械能具有分布范圍廣,激勵(lì)形式復(fù)雜,激勵(lì)方向多變,激勵(lì)頻率低、頻域?qū)挼忍攸c(diǎn).機(jī)械能量采集系統(tǒng)難以直接俘獲環(huán)境激勵(lì),且機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率低,輸出功率小,無法滿足合理、高效、持續(xù)、穩(wěn)定地提供電能的實(shí)際應(yīng)用需求[7-8].因此,需要對(duì)機(jī)械能量采集系統(tǒng)進(jìn)行合理的動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)和調(diào)控,使其與特定的環(huán)境激勵(lì)相匹配,提升機(jī)械能量采集系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)性能,進(jìn)而俘獲更多的機(jī)械能并提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和輸出電學(xué)性能.

針對(duì)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)的可持續(xù)能源供應(yīng)需求,近年來機(jī)械能量采集技術(shù)蓬勃發(fā)展,成為了國(guó)際熱點(diǎn)研究方向.眾多研究表明非線性系統(tǒng)、頻率提升、機(jī)械整流和磁力耦合等方法與技術(shù)能夠提升系統(tǒng)的綜合性能[9-13].但這些研究各自孤立,從方法論層面對(duì)這些方法與技術(shù)進(jìn)行歸納總結(jié)的論文較少.為此,本文從動(dòng)力學(xué)調(diào)控的角度解析了現(xiàn)有機(jī)械能量采集性能提升方法和技術(shù)[14-17],如圖1 所示,構(gòu)建了包括激勵(lì)調(diào)制、非線性系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)、自適應(yīng)控制和策略調(diào)控等方法的動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法體系,論述了動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的典型設(shè)計(jì),展望了動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的發(fā)展趨勢(shì)與未來前景.

1 激勵(lì)調(diào)制

環(huán)境中機(jī)械能的激勵(lì)形式復(fù)雜多變,難以直接進(jìn)行機(jī)電能量轉(zhuǎn)換.例如: 人體運(yùn)動(dòng)和設(shè)備微振動(dòng)的激勵(lì)是微弱的,機(jī)電換能器難以有效工作;波浪和人體運(yùn)動(dòng)是超低頻的、不規(guī)則的,航空發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)是超高頻的,難以與機(jī)電換能器的諧振頻率匹配;碰撞、沖擊激勵(lì)過強(qiáng)會(huì)破壞機(jī)電換能器;惡劣自然環(huán)境、復(fù)雜工業(yè)環(huán)境會(huì)降低機(jī)電換能器的可靠性和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率.因此,需要根據(jù)不同的能量來源進(jìn)行激勵(lì)調(diào)制,再將合理的激勵(lì)輸入到機(jī)電換能器進(jìn)行機(jī)電轉(zhuǎn)換.通過調(diào)制后的外激勵(lì)具有規(guī)律、靈活可控的特點(diǎn),使得機(jī)電換能器更容易采集低品質(zhì)高熵能源,提高機(jī)電能量轉(zhuǎn)換效率.激勵(lì)調(diào)制方法是能量源與機(jī)電換能器之間的關(guān)鍵紐帶,主要分為3 類: 激勵(lì)形式轉(zhuǎn)換、激勵(lì)頻率提升和激勵(lì)力放大.

1.1 激勵(lì)形式轉(zhuǎn)換

風(fēng)和水流等流體能量難以直接激勵(lì)機(jī)電換能器,通常需要將流體的流動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)或滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),再激勵(lì)機(jī)電換能器進(jìn)而產(chǎn)生電能.流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng)如圖2 所示.旋轉(zhuǎn)式流體能采集系統(tǒng)通過葉片等機(jī)械結(jié)構(gòu),將風(fēng)能和水流能等流速、方向、大小不穩(wěn)定的激勵(lì)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再基于機(jī)電換能器而發(fā)電[18-20].如圖2(a)所示,水流先驅(qū)動(dòng)水輪機(jī)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)激勵(lì),再帶動(dòng)多層?xùn)疟P結(jié)構(gòu)摩擦納米發(fā)電機(jī)(triboelectric nanogenerator,TENG)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)能量采集.多層?xùn)疟P結(jié)構(gòu)的TENG 采用D 形軸與水輪機(jī)連接,可以使多層盤同步相對(duì)旋轉(zhuǎn),實(shí)現(xiàn)結(jié)構(gòu)集成和倍增輸出[21].流體能量也可以先調(diào)制成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)再轉(zhuǎn)換為壓電梁振動(dòng)而產(chǎn)生電能[22-23].此外,基于空氣動(dòng)力學(xué)的流致振動(dòng)能量采集系統(tǒng)可以將流體能量轉(zhuǎn)換為振動(dòng)而發(fā)電,主要分為顫振、渦激振動(dòng)、馳振和尾流馳振等形式.如圖2(b)所示,Wang 等[24]提出了一種渦激振動(dòng)與馳振相互轉(zhuǎn)換的壓電風(fēng)能采集器,阻流體上附加Y 形結(jié)構(gòu)可以基于馳振模式進(jìn)行風(fēng)能采集,而將Y 形結(jié)構(gòu)去除時(shí)可以基于渦激振動(dòng)進(jìn)行能量轉(zhuǎn)換.如圖2(c)所示,Wang 等[25]報(bào)道了一種基于顫振實(shí)現(xiàn)兩種摩擦電材料之間的周期性接觸和分離的TENG,該裝置體積小,最大輸出功率密度為9 kW/m3,能夠采集人體呼吸能量.此外,流體能量也可以同時(shí)轉(zhuǎn)換為多種形式的機(jī)械運(yùn)動(dòng),利用不同激勵(lì)特征靈活地設(shè)計(jì)合適的機(jī)電換能器而滿足多種應(yīng)用需求[26].在圖2(d)中,Ye 等[27]設(shè)計(jì)了一個(gè)摩擦-電磁復(fù)合式風(fēng)能采集系統(tǒng),能夠?qū)L(fēng)能同時(shí)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)與旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),分別利用TENG 在中低風(fēng)速激勵(lì)下高性能和EMH 在高風(fēng)速下高性能的特點(diǎn),實(shí)現(xiàn)了寬轉(zhuǎn)速范圍的風(fēng)能采集與自供能風(fēng)速傳感.

圖2 流體運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)水流能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[20],(b)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動(dòng)(馳振)[24],(c)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為振動(dòng)(顫振)[25],(d)風(fēng)能轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)和振動(dòng)[27]Fig.2 Typical dynamic regulation energy harvesting systems for converting fluid motion into mechanical motion: (a)convert water flow energy into rotary motion[20],(b)convert wind energy into vibration (galloping)[24],(c)convert wind energy into vibration (flutter)[25],(d)convert wind energy into rotation and vibration[27]

環(huán)境中大多數(shù)激勵(lì)是不可控的,如果直接作用到換能器上,難以與機(jī)電換能器匹配,嚴(yán)重時(shí),不可控的激勵(lì)會(huì)損壞換能器.因此,需要將環(huán)境中不可控的運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為可控的作用力,再傳遞到機(jī)電換能器上,使激勵(lì)與換能器的匹配靈活可控.壓電懸臂梁是最常見的一種壓電式能量采集系統(tǒng),但是陶瓷壓電材料在壓力下易損壞,因此可以將壓電懸臂梁的振動(dòng)轉(zhuǎn)換為可控的作用力,再傳遞到壓電陶瓷上,有利于機(jī)電轉(zhuǎn)換的可控性,也能提升系統(tǒng)的可靠性.如圖3(a)為一種杠鈴式壓電堆疊振動(dòng)能量采集系統(tǒng),將多層環(huán)形壓電陶瓷套在一根彈性鋼軸上,再通過法蘭盤和環(huán)形螺母將壓電堆預(yù)壓縮[28].這種結(jié)構(gòu)可以將振動(dòng)轉(zhuǎn)換為作用在壓電堆上的拉力或壓力,避免了壓電材料損壞失效問題.圖3(b)展示了一種能夠收集車路沖擊載荷的壓電能量采集系統(tǒng),裝置的兩端耦合兩個(gè)兩端固支的非線性彈性梁,中間放置多層PZT 堆疊,車輛行駛產(chǎn)生的動(dòng)態(tài)載荷垂直作用在梁的中部,然后將作用力轉(zhuǎn)換成水平壓縮力作用到PZT 堆疊上[29-30].類似地,金屬鈸形結(jié)構(gòu)不僅可以將裝置受到的沖擊力轉(zhuǎn)換為垂直作用到壓電材料上的可控力,還可以提升壓電換能器的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率[31-32].磁力作為一種非接觸能量傳遞方式可以將環(huán)境中不規(guī)則、不可控的激勵(lì)轉(zhuǎn)換為可控的激勵(lì),再作用到機(jī)電換能器上.如圖3(b),這種方式不僅可以使作用在壓電材料上的作用力更加可控,也可以使壓電材料受力更加均勻,有利于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換[33].

圖3 不可控運(yùn)動(dòng)形式轉(zhuǎn)換為可控作用力的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)杠鈴式壓電堆疊振動(dòng)能量采集系統(tǒng)[28],(b)抗沖擊式壓電能量采集系統(tǒng)[30],(c)磁力耦合鈸形振動(dòng)能量采集系統(tǒng)[33]Fig.3 Typical dynamic regulation energy harvesting systems for converting uncontrollable motion forms into controllable forces: (a)barbell-shaped piezoelectric stacking vibration energy harvesting system[28],(b)impact resistant piezoelectric energy harvesting system[30],(c)magnetic coupling cymbal unit vibration energy harvesting system[33]

往復(fù)運(yùn)動(dòng)也是一種常見的激勵(lì)形式,如波浪波動(dòng)、人體腳踏運(yùn)動(dòng)和車輛懸架振動(dòng)等等.這些激勵(lì)形式具有頻率低,不規(guī)則,行程大的特點(diǎn),不利于機(jī)電能量轉(zhuǎn)換,并且往復(fù)運(yùn)動(dòng)在換向時(shí)也會(huì)造成能量損耗.因此,可以將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)動(dòng)或滾動(dòng),再作用到機(jī)電換能器上,既可以使激勵(lì)更加規(guī)律又可以避免換向造成的能量損耗.在機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)中,齒輪齒條、棘輪、飛輪、錐形齒輪和單向軸承的配合使用,能夠方便地將往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng).如圖4(a)所示,Ali 等[34]采用桶形凸輪機(jī)構(gòu)將汽車懸架中大幅不規(guī)則往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),再通過變速器將雙向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而基于電磁感應(yīng)發(fā)電.在圖4(b)中,Cho 等[35-36]對(duì)齒輪組進(jìn)行了合理設(shè)計(jì),能夠?qū)⑷梭w自然行走中的雙向運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成工作輪的單向高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),并且同時(shí)提升了激勵(lì)頻率,極大地提升了器件的輸出功率,能夠?yàn)榭纱┐髟O(shè)備供能.在圖4(c)中,波浪整流器通過兩個(gè)單向軸承和一個(gè)齒輪齒條結(jié)構(gòu)將往復(fù)波浪運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為發(fā)電機(jī)的單向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)[37].類似地,Mi 等[38]提出了一種基于半波機(jī)械整流方法的懸掛式能量采集背包,將人體腳踏的往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn),基于電磁感應(yīng)而產(chǎn)生電能,在運(yùn)動(dòng)速度為4.8 km/h 時(shí),裝置的功率密度為0.4 W/kg.在圖4(d)中,不規(guī)則的往復(fù)運(yùn)動(dòng)也可以轉(zhuǎn)換為滾珠的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng),對(duì)機(jī)電換能器進(jìn)行單向可控穩(wěn)定的激勵(lì),不僅有助于機(jī)械整流,也能夠起到減振的效果,提高器件的可靠性[39].

圖4 往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為旋轉(zhuǎn)/滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為雙向旋轉(zhuǎn)[34],(b),(c)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為單向旋轉(zhuǎn)[36-37],(d)往復(fù)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滾壓運(yùn)動(dòng)[39]Fig.4 Typical dynamic regulation energy harvesting systems for converting reciprocating motion into rotation/rolling: (a)convert reciprocating motion into bidirectional rotation[34],(b)and (c)convert reciprocating motion into unidirectional rotation[36-37],(d)convert reciprocating motion to rolling-depression motion[39]

為了更好地利用壓電懸臂梁的特性,可以將旋轉(zhuǎn)/滾動(dòng)激勵(lì)轉(zhuǎn)換為振動(dòng),基于壓電效應(yīng)而產(chǎn)生電能.如圖5(a)所示,旋轉(zhuǎn)軸線平行于地面的轉(zhuǎn)子系統(tǒng)可以將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)通過懸臂梁末端質(zhì)量塊受到的重力而轉(zhuǎn)換為壓電懸臂梁的振動(dòng),重力在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中可視為一個(gè)周期性的激勵(lì)力[40].在重力的基礎(chǔ)上引入磁力可以進(jìn)一步拓寬系統(tǒng)的工作頻域和輸出功率[41].對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸線與地面垂直的轉(zhuǎn)子系統(tǒng),由于沒有重力作為周期性的外激勵(lì),可以通過磁力、撥動(dòng)力、沖擊力和碰撞力等外激勵(lì)將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)[42-43].在這幾種外激勵(lì)中,可以通過陣列的方式提升激勵(lì)頻率,其中磁力屬于非接觸力,設(shè)計(jì)靈活,能夠減少阻尼和能量損耗.如圖5(b)所示,Fu 等[44]設(shè)計(jì)了一種水平雙穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)能量采集系統(tǒng),旋轉(zhuǎn)磁體提供周期性外激勵(lì),使得靜止的懸臂梁產(chǎn)生振動(dòng),固定的磁體與懸臂梁末端磁體產(chǎn)生排斥力,從而引入雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),能夠進(jìn)一步拓寬工作頻域.如圖5(c)所示,Chen 等[45]設(shè)計(jì)了一種圓柱狀摩擦-電磁復(fù)合式能量采集系統(tǒng),將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為磁棒的滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)再激勵(lì)陣列的TENG 單元振動(dòng),基于接觸分離模式發(fā)電.這種方式不僅方便集成電磁和摩擦兩種機(jī)電轉(zhuǎn)換機(jī)制,還能使TENG 單元的受力更加均勻,提高了系統(tǒng)的可靠性.如圖5(d)所示,He 等[46]設(shè)計(jì)了旋轉(zhuǎn)撥片式壓電梁結(jié)構(gòu),通過動(dòng)量輪旋轉(zhuǎn)過程中撥片撥動(dòng)壓電梁使其振動(dòng)而發(fā)電,通過合理匹配撥片和壓電懸臂梁的位置能夠進(jìn)一步提升輸出功率.

圖5 旋轉(zhuǎn)/滾動(dòng)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)利用重力將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)[40],(b)利用磁力將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)[44],(c)滾動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)[45],(d)利用撥動(dòng)力將旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為振動(dòng)[46]Fig.5 Typical dynamic regulation energy harvesting systems for converting rotation/rolling into vibration: (a)convert rotation into vibration by gravity[40],(b)convert rotation into vibration by magnetic force[44],(c)convert rolling into vibration[45],(d)convert rotation motion into vibration by plucking force[46]

1.2 激勵(lì)頻率提升

自然環(huán)境中大部分能量源的頻率都比較低,而大多數(shù)機(jī)電換能器需要在較高的頻率下才能有效工作,并且高頻激勵(lì)可以極大地提升系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能.齒輪組、齒輪齒條等機(jī)械結(jié)構(gòu)配合使用可以提升旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)速(頻率),并且機(jī)械機(jī)構(gòu)穩(wěn)定可靠,可以根據(jù)應(yīng)用需求方便地控制激勵(lì)提升的倍數(shù).如圖6(a)所示,Donelan 等[47]開發(fā)了一種生物力學(xué)能量采集器,類似于汽車中的制動(dòng)系統(tǒng),器件幫助人體肌肉做負(fù)功,將人走路時(shí)腳落地制動(dòng)過程中消耗的能量采集起來,驅(qū)動(dòng)具有齒輪升頻結(jié)構(gòu)電磁發(fā)電機(jī)發(fā)電.Rome 等[48]設(shè)計(jì)了一種懸浮負(fù)載背包,將人體行走過程中承載負(fù)載垂直運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能,通過齒輪與齒條組的組合升頻機(jī)構(gòu)將人體激勵(lì)提升頻率,驅(qū)動(dòng)電磁能量采集系統(tǒng)產(chǎn)生電能.利用兩種結(jié)構(gòu)相互耦合的作用也可以進(jìn)行激勵(lì)頻率的提升,即一個(gè)低頻機(jī)構(gòu)(主系統(tǒng))和一個(gè)高頻機(jī)構(gòu)(輔助系統(tǒng))組成,可以通過自由移動(dòng)質(zhì)量、機(jī)械撥動(dòng)、磁力撥動(dòng)或機(jī)械沖擊將低頻機(jī)構(gòu)被外激勵(lì)產(chǎn)生的低頻振動(dòng)轉(zhuǎn)換為高頻機(jī)構(gòu)的高頻振動(dòng)[49].如圖6(b)所示,Pozzi 等[50]設(shè)計(jì)了一種機(jī)械撥動(dòng)式升頻人體運(yùn)動(dòng)能量采集系統(tǒng),人體運(yùn)動(dòng)激勵(lì)撥片撥動(dòng)壓電雙晶梁,然后快速釋放壓電雙晶梁,使其能夠不受阻礙地振動(dòng),實(shí)現(xiàn)了激勵(lì)頻率的提升,并且圓周陣列撥片和壓電雙晶梁可以在人體膝關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)連續(xù)進(jìn)行激勵(lì).如圖6(c)所示,Fan 等[51]提出了一種壓電-電磁復(fù)合式能量采集系統(tǒng),利用球形磁體雙向碰撞彈簧在線圈內(nèi)進(jìn)行電磁發(fā)電,同時(shí)球的碰撞力激發(fā)壓電梁的高頻振動(dòng),實(shí)現(xiàn)了升頻激勵(lì).齒輪齒條之間的摩擦?xí)a(chǎn)生較大的阻尼,機(jī)械撥動(dòng)或碰撞也會(huì)產(chǎn)生阻尼,不利于弱激勵(lì)能量采集,因此可以采用無接觸磁力升頻機(jī)制.磁力齒輪是成熟的機(jī)構(gòu),可以直接用于激勵(lì)頻率提升,并且也可以進(jìn)一步優(yōu)化磁場(chǎng)排布,提升電磁感應(yīng)的電學(xué)輸出效果[52].如圖6(d)所示,Cai 等[53]提出了磁增頻轉(zhuǎn)換器替換傳統(tǒng)的齒輪機(jī)構(gòu),當(dāng)所有磁鐵的極對(duì)數(shù)等于鐵磁塊的數(shù)量時(shí),磁增頻轉(zhuǎn)換器可以有效地提升頻率,而不會(huì)產(chǎn)生機(jī)械摩擦.此外,磁力陣列方式類似于齒輪機(jī)構(gòu),通過無接觸方式進(jìn)行激勵(lì)頻率的提升[54].柵盤式結(jié)構(gòu)是TENG 中最典型的結(jié)構(gòu)之一,可以提升激勵(lì)頻率,由于旋轉(zhuǎn)柵盤能夠不間斷地誘導(dǎo)電荷轉(zhuǎn)移,有助于提升系統(tǒng)輸出功率,并且加工方便,可以多層疊加,有利于減小空間[55].如圖6(e)所示,Bai 等[56]對(duì)柵盤式結(jié)構(gòu)進(jìn)行了表面改性并且串聯(lián)了多層?xùn)疟P,采用擺動(dòng)質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)?xùn)疟P,將低頻波浪轉(zhuǎn)化為高頻電輸出.此外,柵盤式結(jié)構(gòu)也方便集成電磁單元,可以在同一個(gè)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)下同時(shí)激勵(lì)摩擦納米發(fā)電機(jī)和電磁能量采集系統(tǒng),同時(shí)實(shí)現(xiàn)高壓電和高電流的電學(xué)輸出,方便滿足不同的應(yīng)用需求[57].

圖6 激勵(lì)頻率提升的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)齒輪組升頻機(jī)制[47],(b)機(jī)械撥動(dòng)升頻機(jī)制[50],(c)機(jī)械碰撞升頻機(jī)制[51],(d)磁增頻轉(zhuǎn)換器機(jī)制[53],(e)柵盤式結(jié)構(gòu)升頻機(jī)制[56]Fig.6 Typical dynamic regulation energy harvesting systems using excitation frequency-up conversion: (a)gear set frequency-up mechanism[47],(b)mechanical plucking frequency-up mechanism[50],(c)mechanical collision frequency-up mechanism[51],(d)magnetic frequency-up converter mechanism[53],(e)segmentally structured disk frequency-up mechanism[56]

1.3 激勵(lì)力放大

壓電材料需要合適的外力使其產(chǎn)生形變而產(chǎn)生電能,在合理范圍內(nèi),壓電材料的應(yīng)變?cè)酱?其產(chǎn)生的電能越大.因此,需要對(duì)激勵(lì)力進(jìn)行放大,提高壓電能量采集系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能.但是,壓電纖維和壓電陶瓷在過大的外力激勵(lì)下會(huì)損壞,難以保證器件的可靠性,因此需要進(jìn)行合理的動(dòng)力學(xué)調(diào)控設(shè)計(jì),既能放大作用在壓電材料上的力,又能夠保證其可靠性.彎張放大結(jié)構(gòu)包括兩側(cè)對(duì)稱的彎張型金屬層和中心的壓電層,外激勵(lì)力通過彎張型金屬層的轉(zhuǎn)換和放大作用,將徑向力轉(zhuǎn)換為放大的軸向力,不同方式布置的壓電層等效壓電系數(shù)能夠放大數(shù)十至上百倍.此外,彎張型金屬層也可以使壓電材料的受力更加均勻,極大地提升了壓電陶瓷的機(jī)械耐受度和魯棒性.

典型的彎張放大結(jié)構(gòu)包括: 鈸型結(jié)構(gòu)、橋型結(jié)構(gòu)和多層橋型結(jié)構(gòu)等[58-60].如圖7(a)所示,Qian 等[61]將壓電堆引入到彎張放大結(jié)構(gòu)中,進(jìn)一步提升了每個(gè)彎張換能器的輸出功率.并且將器件陣列集成在鞋跟處,可以采集人體行走時(shí)的能量,在行走速度為5.6 km/h 時(shí),能夠產(chǎn)生20 mW 的平均功率.進(jìn)一步,兩極放大柔順結(jié)構(gòu)用于人體運(yùn)動(dòng)能量采集,能夠進(jìn)一步優(yōu)化彎張結(jié)構(gòu)的輸出性能[62].如圖7(b)所示,Wu 等[63]設(shè)計(jì)了一種基于彎張結(jié)構(gòu)的兩級(jí)力放大壓電能量采集器,將兩級(jí)彎張結(jié)構(gòu)與錐形傳動(dòng)機(jī)構(gòu)和滑動(dòng)導(dǎo)向機(jī)構(gòu)集成,能夠在兩個(gè)垂直方向的激勵(lì)下均產(chǎn)生力放大效果.

圖7 激勵(lì)力放大的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)壓電堆彎張放大結(jié)構(gòu)[61],(b)雙向兩級(jí)放大型彎張結(jié)構(gòu)[63],(c)高效壓縮模式壓電能量采集器[65],(d)杠桿原理用于激勵(lì)力放大[73]Fig.7 Typical dynamic regulation energy harvesting systems using excitation force amplification: (a)piezoelectric stack flextensional structure[61],(b)two-directional two-stage amplified flextensional structure[63],(c)high efficiency compression mode energy harvester[65],(d)lever mechanism for excitation force amplification[73]

彎張結(jié)構(gòu)不僅適用于高負(fù)載、強(qiáng)激勵(lì)環(huán)境,還可以通過動(dòng)力學(xué)調(diào)控設(shè)計(jì)用于弱激勵(lì)環(huán)境中.如圖7(c)所示,Yang 等[64-67]提出了一種高效壓縮模式壓電能量采集器.器件由一對(duì)彈性梁、一對(duì)質(zhì)量塊和一個(gè)彎張壓電單元組成.基礎(chǔ)激勵(lì)被質(zhì)量塊和彎張單元的中心作為慣性力吸收,慣性力被彈性梁放大為沿彈性梁的軸向力,最后軸向力被彎張單元放大,作用在壓電材料上產(chǎn)生電能.高效壓縮模式壓電能量采集器能夠采集低頻振動(dòng)、旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的能量,具有廣泛的應(yīng)用價(jià)值[68-69].此外,Li 等[70-72]利用桁架、鉸鏈、彈簧等機(jī)械結(jié)構(gòu)進(jìn)一步對(duì)彎張結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),提高其電學(xué)輸出效果.

杠桿結(jié)構(gòu)可以放大位移,也可以對(duì)激勵(lì)力產(chǎn)生放大作用.如圖7(d)所示,Hua 等[73]利用杠桿結(jié)構(gòu)放大人踏步時(shí)產(chǎn)生的位移,充分利用了人體的重量和踏地時(shí)的沖擊力,放大了壓電材料的形變,在2.3 Hz 的激勵(lì)下能夠產(chǎn)生13.60 mW 的平均功率.Zhang 等[74]設(shè)計(jì)了一種具有彈性儲(chǔ)能和位移放大功能的柔性杠桿結(jié)構(gòu),在人體步進(jìn)和回彈過程中,線圈鐵芯中的磁感應(yīng)方向改變兩次,從而將沖擊負(fù)載部分轉(zhuǎn)換為電能.Yang 等[75-76]提出了一種利用杠桿機(jī)構(gòu)的新型雙穩(wěn)態(tài)能量采集器,放大了磁體和線圈的相對(duì)位移,顯著地提升了輸出功率.

2 非線性系統(tǒng)

環(huán)境中大部分的能量源是分布在很寬的頻域上,且低頻成分占據(jù)主導(dǎo)地位,傳統(tǒng)線性能量采集系統(tǒng)只能在諧振頻率附近產(chǎn)生較大振幅的振動(dòng),實(shí)現(xiàn)有效的功率輸出,難以實(shí)時(shí)匹配環(huán)境中的寬頻振動(dòng),制約了機(jī)械能量采集系統(tǒng)的發(fā)展.非線性能量采集系統(tǒng)具有較寬的諧振頻域,拓寬了系統(tǒng)的有效工作頻域范圍,且系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性可以靈活設(shè)計(jì)、方便調(diào)控,能夠匹配不同的環(huán)境激勵(lì),滿足多樣化的應(yīng)用需求[77].近年來,非線性能量采集系統(tǒng)被廣泛研究,按照動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法對(duì)其進(jìn)行分類,主要分為3 種類型: 非線性磁力調(diào)控、基于內(nèi)共振原理調(diào)控和幾何非線性調(diào)控.

2.1 非線性磁力調(diào)控

磁力是典型的非線性力,合理設(shè)計(jì)空間磁場(chǎng)的配置可以利用磁力對(duì)能量采集系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控,使其具有較寬的有效工作頻域.并且,磁力是一種非接觸力,磁體的磁力大小也可以通過磁體大小、距離遠(yuǎn)近和磁體材質(zhì)等方便地調(diào)整,能夠更加方便和靈活地進(jìn)行設(shè)計(jì)與加工.2009 年,Cottone等[77]和Erturk 等[78]報(bào)道了一種帶有末端磁體的壓電懸臂梁,用于非線性振動(dòng)能量采集,具有良好的寬頻特性.利用非線性磁力可以方便地構(gòu)造雙穩(wěn)態(tài)、多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),系統(tǒng)能夠在不同穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之間實(shí)現(xiàn)大幅度阱間跳躍,在寬頻域范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)大振幅振動(dòng),有效提高了系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)和電學(xué)性能[79].研究表明,在單穩(wěn)態(tài)與雙穩(wěn)態(tài)之間的臨界區(qū)域,系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性最佳,更容易被激勵(lì)而產(chǎn)生較大振幅的振動(dòng)[80-81].

圖8(a)展示了一種磁耦合非線性壓電能量采集器,改變外部磁體的角度,器件在不同頻率范圍內(nèi)表現(xiàn)出雙穩(wěn)態(tài)或單穩(wěn)態(tài)特性,能夠在4～22 Hz 頻率范圍內(nèi)有效工作[82].進(jìn)一步,Zhou 等[83-84]提出了非線性三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),與具有更深勢(shì)阱的雙穩(wěn)態(tài)非線性能量采集器相比,帶有末端質(zhì)量的懸臂梁在三穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)中更容易通過勢(shì)能阱,從而在更寬的頻域內(nèi)產(chǎn)生高電能輸出.如圖8(b)所示,Tang 等[85]利用磁斥力實(shí)現(xiàn)非接觸式升頻調(diào)控,避免了機(jī)械碰撞和磨損,延長(zhǎng)了器件的使用壽命,且系統(tǒng)在1g加速度激勵(lì)下,能夠在10～22 Hz 的寬頻率范圍內(nèi)有效工作.在圖8(c)中,Wang 等[86]提出了一種緊湊型多穩(wěn)態(tài)復(fù)合式人體運(yùn)動(dòng)能量采集系統(tǒng),磁體既可以提供非線性力又作為電磁單元的組成模塊,低頻振動(dòng)的位移行程和機(jī)械能量傳遞過程幾乎可以完全重疊,從而放大低頻寬帶振源下的功率輸出.在旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)中非線性磁力可以與離心力耦合,進(jìn)一步對(duì)系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控,提高能量采集系統(tǒng)的輸出功率[6].Zhang 等[87]提出了一種雙穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)壓電能量采集系統(tǒng),非線性磁力使得系統(tǒng)呈現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài),由于旋轉(zhuǎn)過程中的離心效應(yīng),雙穩(wěn)態(tài)可以轉(zhuǎn)化為單穩(wěn)態(tài),雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)的高能軌道振蕩能夠提供足夠的動(dòng)能使系統(tǒng)在單穩(wěn)態(tài)保持穩(wěn)定的振動(dòng),進(jìn)一步拓寬系統(tǒng)運(yùn)行頻率范圍.如圖8(d)所示,Mei 等[88]提出了一種四穩(wěn)態(tài)壓電能量采集器用于超轉(zhuǎn)速下旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),系統(tǒng)結(jié)合低勢(shì)壘和時(shí)變勢(shì)阱的優(yōu)點(diǎn)能夠在轉(zhuǎn)速為60～420 r/min 的范圍內(nèi)有效工作.

圖8 基于非線性磁力調(diào)控的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)[82],(b)非線性磁力升頻系統(tǒng)[85],(c)復(fù)合型多穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量采集系統(tǒng)[86],(d)旋轉(zhuǎn)多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)[88]Fig.8 Typical dynamic regulation energy harvesting systems using nonlinear magnetic regulation: (a)bistable system[82],(b)nonlinear magnetic frequency-up system[85],(c)hybrid multistable vibration energy harvesting system[86],(d)multistable rotating energy harvesting system[88]

2.2 基于內(nèi)共振原理調(diào)控

內(nèi)共振是指系統(tǒng)中不同自由度之間的相互作用導(dǎo)致某些特定頻率下的放大效應(yīng).在非線性內(nèi)共振系統(tǒng)中,相互作用的自由度之間由于非線性關(guān)系而產(chǎn)生耦合效應(yīng),使得系統(tǒng)在某些頻率上具有突出的能量響應(yīng).非線性內(nèi)共振系統(tǒng)是多自由度系統(tǒng)的一種特殊情況,但其獨(dú)特之處在于非線性關(guān)系導(dǎo)致的內(nèi)共振現(xiàn)象,因此將非線性內(nèi)共振系統(tǒng)在本章論述.內(nèi)共振能夠調(diào)控系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)特性,提升振動(dòng)能量采集的效果.Chen 等[89-91]首次提出了基于內(nèi)共振原理的振動(dòng)能量采集系統(tǒng),如圖9(a)所示,兩個(gè)非線性模態(tài)相互耦合并進(jìn)行能量交換,相互激勵(lì)均能產(chǎn)生主共振峰,可以提高振動(dòng)能量采集系統(tǒng)的有效工作頻寬.在寬頻激勵(lì)下基于內(nèi)共振原理的系統(tǒng)性能優(yōu)于具有相同固有頻率和相同尺寸的線性能量采集系統(tǒng).Aravindan 等[92]分析了1:3 內(nèi)共振壓電懸臂梁在簡(jiǎn)諧激勵(lì)下的非線性動(dòng)力學(xué)和能量采集性能,發(fā)現(xiàn)了能量在模態(tài)之間的轉(zhuǎn)移只發(fā)生在激勵(lì)的某個(gè)閾值內(nèi),而該閾值反過來又會(huì)影響俘獲能量的大小.如圖9(b)所示,Xie 等[93]設(shè)計(jì)了一種T 型壓電能量采集器,當(dāng)激勵(lì)頻率接近系統(tǒng)的第一共振頻率時(shí),會(huì)出現(xiàn)1:3 的內(nèi)共振現(xiàn)象,通過低頻激勵(lì)下的高頻響應(yīng),可以顯著提高能量轉(zhuǎn)換效率.同時(shí),系統(tǒng)在第一階共振帶寬內(nèi)非線性響應(yīng)增強(qiáng),工作帶寬變寬.Xu 等[94-95]將單線擺連接于壓電懸臂梁自由端,利用三維空間中擺錘運(yùn)動(dòng)與梁的彎曲模態(tài)之間的非線性耦合產(chǎn)生1:2 的內(nèi)共振,從而實(shí)現(xiàn)單懸臂梁的多方向能量收集.在此基礎(chǔ)上,Bao 等[96]提出了一種壓電懸臂梁-非線性磁擺結(jié)構(gòu)用于采集多方向振動(dòng)能量,引入了非線性磁力調(diào)控懸臂擺系統(tǒng)的內(nèi)部共振,如圖9(c)所示.系統(tǒng)在x方向的內(nèi)共振帶寬是傳統(tǒng)壓電懸臂擺系統(tǒng)的3 倍,在7.5 Hz 激勵(lì)下的最大功率為0.64 mW.同時(shí),系統(tǒng)在z方向還實(shí)現(xiàn)了額外的諧振頻域(3.4～4.3 Hz),以改善z方向能量采集性能.

圖9 基于內(nèi)共振原理的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng)Fig.9 Typical dynamic regulation energy harvesting systems using internal resonance principle

2.3 非線性幾何結(jié)構(gòu)調(diào)控

非線性幾何結(jié)構(gòu)可以方便地使能量采集系統(tǒng)產(chǎn)生非線性特征,且不需要引入額外的機(jī)構(gòu),裝置更加小型化,有利于集成設(shè)計(jì).最常見的非線性幾何結(jié)構(gòu)是通過多個(gè)彈簧結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)形成雙穩(wěn)態(tài)或多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),裝置在穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之間的大幅度跳動(dòng)有助于提升能量采集系統(tǒng)的功率輸出[97-98].此外,還可以通過非線性剛度的參數(shù)設(shè)計(jì)將系統(tǒng)優(yōu)化為準(zhǔn)零剛度系統(tǒng),在雙穩(wěn)態(tài)和單穩(wěn)態(tài)的過渡區(qū)域更容易被激勵(lì),有利于在低頻環(huán)境中收集到更多的能量[99](圖10(a)),也可以用于減振-能采一體化設(shè)計(jì)[100-101].如圖10(b),Li 等[102]設(shè)計(jì)了X 型結(jié)構(gòu),將雙穩(wěn)態(tài)和準(zhǔn)零剛度結(jié)合,適用于低頻弱激勵(lì)的波浪能采集.此外,還可以通過設(shè)計(jì)不同的結(jié)構(gòu)來調(diào)整幾何非線性剛度,從而對(duì)系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控,如U 型梁[103],H 型梁[104]等.如圖10(c),Paul 等[105]采用FR4 材料設(shè)計(jì)成的錐形彈簧結(jié)構(gòu)進(jìn)行振動(dòng)能量采集,錐形彈簧的非典型應(yīng)力分布引起的非線性恢復(fù)力有助于拓寬系統(tǒng)的有效工作頻寬,并且可以通過調(diào)整結(jié)構(gòu)的錐度更加方便地調(diào)控系統(tǒng)的非線性特征.在圖10(d)中,Dhote 等[106-107]設(shè)計(jì)了一種多穩(wěn)態(tài)正交平面柔順機(jī)構(gòu)用于非線性振動(dòng)能量采集系統(tǒng),將幾何非線性與磁力非線性進(jìn)行耦合,共同調(diào)控系統(tǒng)的非線性剛度,提高了系統(tǒng)的輸出電壓和工作帶寬,減小了不同振動(dòng)模態(tài)之間的間隙,使振動(dòng)模態(tài)更加接近.屈曲梁是一種常見的幾何非線性結(jié)構(gòu),可以設(shè)計(jì)成天然的幾何雙穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu),不需要額外的機(jī)械結(jié)構(gòu),能夠在外激勵(lì)下在兩個(gè)穩(wěn)態(tài)點(diǎn)之間跳動(dòng),有利于提高能量采集系統(tǒng)的電學(xué)輸出[108].如圖10(e),Jung 等[109]提出了一種非線性振動(dòng)能量采集系統(tǒng),由兩個(gè)預(yù)彎曲的細(xì)長(zhǎng)型屈曲梁和橋中心的壓電懸臂梁組成,當(dāng)系統(tǒng)受到高于臨界加速度值的低頻振動(dòng)時(shí),屈曲梁在兩個(gè)平衡點(diǎn)之間快速大幅度跳動(dòng),為橋中心的壓電懸臂梁提供高加速度,從而使其在高頻下共振.此外,屈曲結(jié)構(gòu)也可以進(jìn)一步拓展為折紙結(jié)構(gòu)、超材料等等,利用其獨(dú)特的雙穩(wěn)態(tài)突跳特性進(jìn)行能量采集-振動(dòng)控制一體化設(shè)計(jì)[110].利用彈性止動(dòng)模塊調(diào)整懸臂梁的振動(dòng)位移也可以使系統(tǒng)具有非線性特征.如圖10(f),Machado 等[111]提出了一種低頻旋轉(zhuǎn)壓電能量收集器,利用彈簧作為柔性止動(dòng)件限制梁的振動(dòng)位移,且接觸力在最低旋轉(zhuǎn)頻率時(shí)最大,有助于低轉(zhuǎn)速時(shí)的能量采集.Fang 等[112]在柔性止動(dòng)梁上黏貼壓電材料,利用離心軟化效應(yīng),可以放大驅(qū)動(dòng)梁和止動(dòng)梁之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng),增加沖擊力,從而顯著提高輸出功率.

3 多自由度系統(tǒng)

多自由度系統(tǒng)可通過單自由度系統(tǒng)的陣列形成,能夠成倍地提升系統(tǒng)的輸出功率,但是同時(shí)也增加了系統(tǒng)的復(fù)雜性,需要提升加工方法才能更好地發(fā)揮系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì).此外,也可以設(shè)計(jì)具有耦合作用的多自由度系統(tǒng),能夠單向或雙向提升系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,有助于最終提升能量采集輸出性能.按照動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法對(duì)其進(jìn)行分類,主要分為兩種類型: 陣列結(jié)構(gòu)和耦合系統(tǒng).

3.1 陣列結(jié)構(gòu)

陣列結(jié)構(gòu)能夠方便地形成多自由度系統(tǒng),在同一激勵(lì)下完成多個(gè)子單元的能量采集,將能量存儲(chǔ)在電容器中,有助于提升系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能.自然環(huán)境中風(fēng)向是多變的,Zhang 等[113]設(shè)計(jì)了一種多自由度風(fēng)能采集系統(tǒng),如圖11(a),在圓周陣列6 個(gè)柔性TENG 單元,在任意方向的風(fēng)激勵(lì)下產(chǎn)生振動(dòng),從而驅(qū)動(dòng)柔性單元下部的接觸分離單元進(jìn)行工作,并且由于對(duì)稱性設(shè)計(jì),器件可以直接作為風(fēng)向傳感器.壓電懸臂梁作為典型的能量采集單元,可以方便進(jìn)行圓周或線性陣列,形成多自由度系統(tǒng),能夠有效拓寬工作頻域.如圖11(b),Deng 等[114]設(shè)計(jì)了一種多穩(wěn)態(tài)振動(dòng)能量采集系統(tǒng),依靠陣列多個(gè)帶有末端磁體的懸臂梁之間的動(dòng)力學(xué)協(xié)同運(yùn)動(dòng)而形成多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),無需外部靜磁體,更加利于集成為立方體用于波浪、橋梁振動(dòng)等能量采集.如圖11(c),Fang 等[115]將陣列結(jié)構(gòu)從二維平面拓展到三維空間,設(shè)計(jì)了一種仿音樂盒結(jié)構(gòu)的旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)式壓電能量采集系統(tǒng).在三維空間陣列的旋轉(zhuǎn)撥動(dòng)結(jié)構(gòu)可以減少振動(dòng)干擾,在高旋轉(zhuǎn)速度下收集更多能量,并且具有較寬的有效工作頻率范圍.Lai 等[116]將三穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)與三穩(wěn)態(tài)結(jié)構(gòu)交叉陣列組成一個(gè)具有多穩(wěn)態(tài)特性的多自由度系統(tǒng),能夠在 <3 m/s2的弱激勵(lì)下工作,克服了傳統(tǒng)多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng)在弱激勵(lì)下不易越過勢(shì)能阱的缺點(diǎn),可以在弱激勵(lì)下產(chǎn)生更寬的工作帶寬.

圖11 基于陣列結(jié)構(gòu)多自由度系統(tǒng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng)Fig.11 Typical dynamic regulation energy harvesting systems based on array structure multi-DOF system

3.2 耦合系統(tǒng)

二自由度擺是最常見的具有耦合作用的多穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),研究者們基于二自由度擺的衍生機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)了各種各樣的能量采集系統(tǒng),經(jīng)過動(dòng)力學(xué)調(diào)控設(shè)計(jì)有助于提升系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能[117].如圖12(a),Iqbal等[118]提出了一個(gè)2-DOF 風(fēng)能與振動(dòng)能量復(fù)合采集系統(tǒng),能夠?qū)蛄赫駝?dòng)和環(huán)境風(fēng)能同時(shí)轉(zhuǎn)換為電能.當(dāng)裝置受到低頻振動(dòng)激勵(lì)時(shí),具有較低諧振頻率的上懸臂梁開始振動(dòng),EMH 由于磁體和線圈的相對(duì)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電,與此同時(shí),黏貼在上懸臂梁上的壓電材料也會(huì)由于振動(dòng)而發(fā)電.當(dāng)外激勵(lì)頻率較高時(shí),下懸臂梁(固定線圈)的相對(duì)位移會(huì)更大(接近共振區(qū)域),因此EMH 也會(huì)產(chǎn)生電能.當(dāng)周圍脈動(dòng)的風(fēng)能沖擊機(jī)翼時(shí),升力使機(jī)翼和梁在豎直方向振動(dòng),同時(shí)在線圈和壓電材料中產(chǎn)生電壓.如圖12(b),Hu 等[119]提出了一種基于梳狀梁的壓電風(fēng)能采集系統(tǒng),由主梁和一系列寄生梁共同構(gòu)成多自由度系統(tǒng),在氣動(dòng)激勵(lì)下,主梁和寄生梁之間產(chǎn)生力的相互作用,在實(shí)驗(yàn)中能夠?qū)⑶腥腼L(fēng)速?gòu)?.24 m/s 降至1.96 m/s.在圖12(c)中,Yu 等[120]提出了一種2-DOF 電磁能量采集系統(tǒng),通過設(shè)計(jì)磁斥力和吸引力之間的相互作用來實(shí)現(xiàn)雙穩(wěn)態(tài),可以通過調(diào)整兩個(gè)共振峰之間的頻寬提升能量采集系統(tǒng)的性能.Gu 等[121-122]提出了一種能夠自調(diào)頻的旋轉(zhuǎn)能量采集系統(tǒng),由一個(gè)相對(duì)剛性的壓電梁和一個(gè)端部安裝有末端質(zhì)量的窄而柔性的驅(qū)動(dòng)梁組成.末端質(zhì)量在重力的影響下反復(fù)撞擊發(fā)電梁而發(fā)電.旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的離心力會(huì)改變?nèi)嵝则?qū)動(dòng)梁的諧振頻率和能量采集系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)響應(yīng).經(jīng)過參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì),能量采集系統(tǒng)的諧振頻率在4～16.2 Hz 的寬頻范圍內(nèi)與旋轉(zhuǎn)速度基本匹配.Kim 等[123]利用懸臂梁長(zhǎng)度不同以及磁力調(diào)控設(shè)計(jì)了一個(gè)雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),在基座激勵(lì)下,兩個(gè)末端磁體相對(duì)的懸臂梁為相互耦合的雙穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),大幅度的阱間運(yùn)動(dòng)能夠拓寬有效工作頻寬和提高輸出功率.如圖12(d),也可以將該2-DOF 系統(tǒng)用于旋轉(zhuǎn)能量采集,通過調(diào)整末端磁體的大小調(diào)整激勵(lì)力幅值和磁力大小,有利于低轉(zhuǎn)速下振動(dòng)能量采集[124].某些超材料是一種常見的多自由度耦合結(jié)構(gòu),單胞結(jié)構(gòu)陣列而成的多胞結(jié)構(gòu)在激勵(lì)下能夠產(chǎn)生獨(dú)特的動(dòng)力學(xué)響應(yīng),有助于提升能量采集系統(tǒng)的性能.如圖12(e),Xu 等[125]設(shè)計(jì)了一個(gè)帶有中心集中質(zhì)量的手狀梁的單胞結(jié)構(gòu),能夠最大限度地提高振動(dòng)時(shí)手狀梁結(jié)構(gòu)與基底的有效接觸面積.隨后,將單胞結(jié)構(gòu)陣列在板上,形成一種同時(shí)具有能量采集和振動(dòng)控制的超材料,在低頻范圍內(nèi)具有良好的能量采集和抑制振動(dòng)特性.

圖12 基于耦合多自由度系統(tǒng)的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)振動(dòng)-風(fēng)能復(fù)合能量采集系統(tǒng)[118],(b)梳狀梁風(fēng)能采集系統(tǒng)[119],(c)2-DOF 電磁能量采集系統(tǒng)[120],(d)磁力調(diào)控2-DOF 系統(tǒng)[124],(e)超材料系統(tǒng)[125]Fig.12 Typical dynamic regulation energy harvesting systems based on coupled multi-DOF system: (a)vibration-wind energy harvesting system[118],(b)comb-like beam based wind energy harvesting system[119],(c)2-DOF electromagnetic energy harvesting system[120],(d)magnetic regulation 2-DOF system[124],(e)metamaterial system[125]

4 系統(tǒng)調(diào)控

能量采集系統(tǒng)所采集的能量源是分布式的、無序的、無線的高熵能源,系統(tǒng)的工況也是多變的,會(huì)顯著影響能量采集系統(tǒng)的工作狀態(tài)、輸出性能、可靠性和使用壽命等.因此,需要針對(duì)不同的應(yīng)用對(duì)象進(jìn)行動(dòng)力學(xué)設(shè)計(jì)與調(diào)控,使其能夠滿足多種工況,有助于提升能量采集系統(tǒng)的綜合性能.按照動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法對(duì)其進(jìn)行分類,主要分為兩種類型: 自適應(yīng)控制和策略控制.

4.1 自適應(yīng)調(diào)控

自適應(yīng)控制方法使能量采集系統(tǒng)根據(jù)激勵(lì)形式的變化,自適應(yīng)調(diào)控自身動(dòng)力學(xué)特性(機(jī)構(gòu)、結(jié)構(gòu)和固有頻率等),從而更加靈活地采集能量并滿足不同需求.在汽車無級(jí)變速系統(tǒng)的啟發(fā)下,Yong 等[126]提出了一種多級(jí)自動(dòng)切換能量采集裝置,基于同心雙轉(zhuǎn)軸結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),集成了兩個(gè)不同形狀、尺寸和風(fēng)杯臂長(zhǎng)的獨(dú)立TENG.多級(jí)結(jié)構(gòu)中的不同模塊在不同風(fēng)速下具有自適應(yīng)性,能夠在各自的風(fēng)速范圍內(nèi)以最高效率收集風(fēng)能并轉(zhuǎn)換為電能,拓寬了系統(tǒng)的有效工作風(fēng)速范圍.棘輪棘爪可以自適應(yīng)地選擇性接受外界驅(qū)動(dòng),即當(dāng)棘爪的速度大于棘輪,棘爪棘輪嚙合,產(chǎn)生激勵(lì);當(dāng)棘爪的速度小于棘輪,棘爪滑開,不阻礙棘輪工作.這樣使得棘輪(即工作輪)可以最大化吸收外部激勵(lì)能量,而不被外部激勵(lì)反向作用阻礙.如圖13(a)所示,Zhang 等[127-128]利用扭轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)和棘輪離合器結(jié)構(gòu)采集人體低頻運(yùn)動(dòng)的機(jī)械能,在跑步機(jī)測(cè)試時(shí),棘輪的最大轉(zhuǎn)速為3700 r/min.Fan 等[129-130]設(shè)計(jì)了一種復(fù)合結(jié)構(gòu)的撥片,具有棘爪的功能,在轉(zhuǎn)子逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)提供足夠大的驅(qū)動(dòng)力,轉(zhuǎn)子順時(shí)針旋轉(zhuǎn)期間提供非常小的滑動(dòng)摩擦阻力,能夠?qū)⒊皖l激勵(lì)轉(zhuǎn)化為單向旋轉(zhuǎn),并且在外激勵(lì)消失后轉(zhuǎn)子仍舊保持較長(zhǎng)時(shí)間旋轉(zhuǎn)并輸出電能.

圖13 基于自適應(yīng)調(diào)控的典型動(dòng)力學(xué)調(diào)控能量采集系統(tǒng): (a)扭轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)和棘輪系統(tǒng)[128],(b)自適應(yīng)調(diào)整固有頻率系統(tǒng)[135],(c)離心力自適應(yīng)控制系統(tǒng)[138]Fig.13 Typical dynamic regulation energy harvesting systems based on adaptive regulation: (a)twist rod and ratchet system[128],(b)adaptive natural frequency adjustment system[135],(c)centrifugal force adaptive control system[138]

自適應(yīng)調(diào)整固有頻率的方法是壓電懸臂梁能量采集系統(tǒng)中最常用的自適應(yīng)控制方法[131-133].Kim 等[134]提出了一種自適應(yīng)調(diào)頻策略用于振動(dòng)能量采集,在外界激勵(lì)下,簡(jiǎn)支梁中間的質(zhì)量塊可以沿著梁滑動(dòng),根據(jù)外激勵(lì)的變化自適應(yīng)調(diào)節(jié)系統(tǒng)的諧振頻率,使諧振頻率與激勵(lì)頻率匹配,能夠提高壓電能量采集的輸出效果.如圖13(b)所示,Shin 等[135]也采用了類似的自適應(yīng)調(diào)頻策略.其工作原理為: 當(dāng)在非諧振區(qū)間,滑塊與懸臂梁振幅較小,滑塊與懸臂梁之間的接觸壓力以及相對(duì)摩擦力也較小,滑塊會(huì)產(chǎn)生滑動(dòng);當(dāng)滑塊滑到適當(dāng)位置,使得系統(tǒng)諧振頻率匹配激勵(lì)頻率,滑塊與懸臂梁之間的振幅較大,兩者之間的接觸壓力較大,滑塊與懸臂梁之間的摩擦力足夠大使得滑塊不再滑動(dòng),與懸臂梁一起大幅振動(dòng).在實(shí)驗(yàn)中,該系統(tǒng)的有效工作頻寬相比于沒有自調(diào)頻的系統(tǒng)擴(kuò)大了1400%.在旋轉(zhuǎn)能量采集系統(tǒng)中,可以利用離心力隨著轉(zhuǎn)速的變化自適應(yīng)調(diào)整系統(tǒng)的剛度,從而適應(yīng)不同的旋轉(zhuǎn)激勵(lì),提升系統(tǒng)的電學(xué)輸出性能[136-137].如圖13(c)所示,Fang 等[138]建立了離心剛化和旋轉(zhuǎn)軟化的機(jī)電耦合方程,系統(tǒng)分析了離心力對(duì)壓電懸臂梁在旋轉(zhuǎn)激勵(lì)下的影響.離心剛化效應(yīng)可以拓寬系統(tǒng)的有效工作頻寬,系統(tǒng)在高轉(zhuǎn)速激勵(lì)下具有更好的輸出性能;旋轉(zhuǎn)軟化效應(yīng)能夠降低系統(tǒng)的諧振頻率,更適用于低轉(zhuǎn)速激勵(lì)下的應(yīng)用場(chǎng)景.此外,可以將非線性磁力與離心力配合使用,共同調(diào)控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,進(jìn)一步降低系統(tǒng)的有效工作頻率[139].

4.2 策略調(diào)控

機(jī)械能量采集與自供能傳感系統(tǒng)的能量流動(dòng)過程為: 能量的輸入(環(huán)境中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為規(guī)律可控的機(jī)械能)—能量的轉(zhuǎn)換(機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能)—能量的存儲(chǔ)與利用(能源管理系統(tǒng)).因此,需要對(duì)整體系統(tǒng)進(jìn)行策略控制,調(diào)控系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和電學(xué)性能.飛輪是典型的機(jī)械能量存儲(chǔ)單元,可以作為一個(gè)整體用于調(diào)控系統(tǒng)中機(jī)械能與電能之間的轉(zhuǎn)換.由于機(jī)電換能器在電能輸出較大時(shí)在電路系統(tǒng)中的阻尼也會(huì)隨之增大,用飛輪先存儲(chǔ)機(jī)械能量,然后可控制地轉(zhuǎn)換為電能,有助于提升系統(tǒng)整體的機(jī)電轉(zhuǎn)換效率.如圖14(a),Xie 等[140]利用飛輪單向旋轉(zhuǎn)和儲(chǔ)能的特點(diǎn),設(shè)計(jì)了一個(gè)可以將隨機(jī)觸發(fā)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為連續(xù)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的TENG.當(dāng)對(duì)推桿施加隨機(jī)觸發(fā)運(yùn)動(dòng)時(shí),推桿和獨(dú)立飛輪將觸發(fā)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為軸的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng),工作飛輪由旋轉(zhuǎn)軸驅(qū)動(dòng)以存儲(chǔ)能量,并可連續(xù)高速旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生電能.即使在觸發(fā)運(yùn)動(dòng)停止后,飛輪仍舊可以保持一段時(shí)間的高速旋轉(zhuǎn)而基于電磁單元或摩擦納米發(fā)電機(jī)發(fā)電[141-144].平面渦卷彈簧(發(fā)條)也可以存貯彈性勢(shì)能,并利用其彈力逐漸松開時(shí)產(chǎn)生動(dòng)力.如圖14(b),受到機(jī)械手表的啟發(fā),Han等[145]利用齒輪和扭轉(zhuǎn)發(fā)條組成儲(chǔ)能結(jié)構(gòu),發(fā)條采集不規(guī)則和低頻運(yùn)動(dòng)能量并旋轉(zhuǎn)齒輪,將能量傳遞給擒縱機(jī)構(gòu),擒縱機(jī)構(gòu)將低頻激勵(lì)轉(zhuǎn)換為扭轉(zhuǎn)諧振器的高速旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)而發(fā)電,可以實(shí)現(xiàn)一種穩(wěn)定、持久和高輸出功率的TENG,在5 s 的輸入激勵(lì)下產(chǎn)生110 s (22 倍)的持久穩(wěn)定輸出功率.為了提升TENG的輸出性能,王中林院士團(tuán)隊(duì)提出了電荷泵浦策略和電荷自泵浦摩擦納米發(fā)電機(jī)[146-148].如圖14(c),電荷泵浦能夠?qū)㈦姾纱鎯?chǔ)在電極中,再根據(jù)需求釋放到主發(fā)電機(jī)中,注入的束縛電荷可類同于摩擦靜電荷激發(fā)電場(chǎng),但其電荷密度理論上僅受到介電擊穿強(qiáng)度的限制,同時(shí)不需要通過劇烈的摩擦產(chǎn)生,能夠極大地提升TENG 的表面電荷密度,并且可以作為一種高性能基礎(chǔ)元件用于連續(xù)或間歇地激勵(lì)收集環(huán)境機(jī)械能[149].能量管理系統(tǒng)不僅可以將交流電轉(zhuǎn)換為直流電,還可以通過多種電路處理方法和控制算法進(jìn)一步減小能耗、提高能量采集系統(tǒng)的效率[150].如圖14(d),由于非線性動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)與SECE 非線性電路系統(tǒng)結(jié)合,產(chǎn)生的阻尼效應(yīng)影響動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)的非線性特性,不利于非線性剛度帶來的較寬工作頻域,Lallart 等[151]在SECE 中引入了相位延遲,在不損失過多輸出功率的情況下,保證了有效工作帶寬,平衡了工作帶寬和機(jī)電轉(zhuǎn)換效率之間的問題.

5 挑戰(zhàn)和展望

機(jī)械能量采集具有靈活便捷、零碳環(huán)保和可持續(xù)等優(yōu)勢(shì),能夠與物聯(lián)網(wǎng)、大數(shù)據(jù)和人工智能等技術(shù)結(jié)合,實(shí)現(xiàn)自供能的智慧互聯(lián),在人體健康監(jiān)測(cè)、智慧醫(yī)療、生態(tài)環(huán)境監(jiān)測(cè)、高精尖裝備故障診斷、航空航天工程和海洋資源開發(fā)利用等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景.近年來,眾多學(xué)者已經(jīng)提出了多種動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法提升機(jī)械能量采集系統(tǒng)的綜合性能,但是面向機(jī)械能量采集的工程應(yīng)用需求,仍舊存在一些關(guān)鍵挑戰(zhàn).

(1)輸出功率較低,難以滿足工程應(yīng)用需求.雖然近年來研究人員利用不同的動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法提升機(jī)械能量采集系統(tǒng)的輸出功率,但是大部分器件的平均輸出功率仍舊為μW 至mW 量級(jí),少量器件可以突破W 量級(jí).此外,大部分報(bào)道工作中的最大平均功率是指最佳激勵(lì)工況下器件的平均輸出功率,而難以保證實(shí)際工況復(fù)雜激勵(lì)下的器件輸出功率.因此,如何進(jìn)一步提高能量采集系統(tǒng)適用于不同實(shí)際工況的平均輸出功率是亟待解決的關(guān)鍵問題.

(2)現(xiàn)有動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法沒有形成協(xié)同效果.盡管現(xiàn)有的頻率提升、激勵(lì)放大和非線性寬頻等動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法從不同方面提升了機(jī)械能量采集系統(tǒng)的性能,但這些方法和技術(shù)是孤立的,可能會(huì)相互影響,沒有形成協(xié)同提升效果.系統(tǒng)化考慮這些方法和技術(shù)有望提升系統(tǒng)綜合性能和設(shè)計(jì)靈活性.但目前大部分研究對(duì)這些方法和技術(shù)的相互影響和協(xié)同效果的考慮很少或尚未涉及.

(3)較少考慮系統(tǒng)的可靠性、魯棒性和環(huán)境適應(yīng)性.目前,大部分動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法主要用于提升能量采集系統(tǒng)的輸出功率,且大部分原理樣機(jī)在實(shí)驗(yàn)室條件下進(jìn)行定量測(cè)試和驗(yàn)證性測(cè)試.然而,面向?qū)嶋H應(yīng)用,傳感器分布廣泛且有些傳感器分布在惡劣環(huán)境區(qū)域,如何保證能量采集系統(tǒng)長(zhǎng)期有效的功率輸出？因此,器件的可靠性、魯棒性和環(huán)境適應(yīng)性也需要通過動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法進(jìn)行設(shè)計(jì)和優(yōu)化,使其能夠切實(shí)解決工程問題.

針對(duì)這些關(guān)鍵挑戰(zhàn)和當(dāng)前動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的研究現(xiàn)狀,未來可以在以下幾個(gè)方面繼續(xù)開展深入研究.

(1)完善動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法體系.本文構(gòu)建了基本的機(jī)械能量采集動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法體系.其中,激勵(lì)調(diào)制方法能夠在能量輸入端,即外激勵(lì)與能量采集系統(tǒng)之間進(jìn)行調(diào)控;非線性系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)從器件的機(jī)械結(jié)構(gòu)部分改善系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)行為;系統(tǒng)調(diào)控方法綜合考慮了整體系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)和電學(xué)特性進(jìn)行調(diào)控.在未來,還需要闡明動(dòng)力學(xué)調(diào)控原理與方法論,建立動(dòng)力學(xué)調(diào)控案例庫(kù),為機(jī)械能量采集系統(tǒng)非標(biāo)設(shè)計(jì)提供參考.

(2)考慮動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法與其他相關(guān)技術(shù)集成設(shè)計(jì),提升系統(tǒng)綜合性能.機(jī)械能量采集系統(tǒng)由機(jī)電轉(zhuǎn)換材料、機(jī)械結(jié)構(gòu)、電路系統(tǒng)等幾個(gè)關(guān)鍵部分構(gòu)成.未來可以考慮將動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法與新材料結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)合,比如利用超材料結(jié)構(gòu)特性實(shí)現(xiàn)力學(xué)調(diào)控.目前,大多數(shù)能量采集系統(tǒng)的能量管理單元主要采用濾波整流,升壓降壓以及儲(chǔ)能單元作為能量采集系統(tǒng)和用電器之間的橋梁,較少考慮電路系統(tǒng)與動(dòng)力學(xué)系統(tǒng)(機(jī)械結(jié)構(gòu))的匹配設(shè)計(jì),能量損耗較大.因此,可以將動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法與電路優(yōu)化設(shè)計(jì)方法相結(jié)合,進(jìn)一步提升系統(tǒng)綜合性能.

(3)面向工程應(yīng)用,推動(dòng)能量采集系統(tǒng)產(chǎn)品化.目前能量采集的研究大多只是在實(shí)驗(yàn)室或模擬環(huán)境中進(jìn)行原理性驗(yàn)證,很少考慮能量采集系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性.動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法是推動(dòng)能量采集技術(shù)從實(shí)驗(yàn)室走向工程應(yīng)用的重要途徑,但距離能量采集系統(tǒng)的產(chǎn)品化仍有大量工作需要進(jìn)行.例如,可穿戴人體運(yùn)動(dòng)能量采集系統(tǒng)需要考慮輕量化設(shè)計(jì)和人體舒適性,波浪能量采集系統(tǒng)需要考慮海水腐蝕和風(fēng)吹日曬下器件的可靠性等.需要建立詳細(xì)的能量采集產(chǎn)品機(jī)電轉(zhuǎn)換效率、輸出功率、可靠性、兼容性和環(huán)境適應(yīng)性等測(cè)試和評(píng)估標(biāo)準(zhǔn),以推動(dòng)能量采集系統(tǒng)產(chǎn)品化.

6 結(jié)論

動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法改善了機(jī)械能量采集系統(tǒng)的動(dòng)力學(xué)特性,使其與特定的環(huán)境激勵(lì)相匹配,提升了機(jī)械能量采集系統(tǒng)的俘能效果、機(jī)電轉(zhuǎn)換效率和輸出電學(xué)性能.本文構(gòu)建了包括激勵(lì)調(diào)制、非線性系統(tǒng)、多自由度系統(tǒng)、自適應(yīng)控制和策略調(diào)控等方法的機(jī)械能量采集動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法體系,論述了動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的最新研究進(jìn)展,包括每類動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的特點(diǎn)和典型設(shè)計(jì),給出了動(dòng)力學(xué)調(diào)控方法的關(guān)鍵挑戰(zhàn)和未來發(fā)展方向.本文不僅為機(jī)械能量采集系統(tǒng)適應(yīng)復(fù)雜環(huán)境激勵(lì)提供了新的動(dòng)力學(xué)調(diào)控視角,還構(gòu)建初步的方法體系,以及可供參考的具體設(shè)計(jì),有益于促進(jìn)機(jī)械能量采集基礎(chǔ)理論與應(yīng)用技術(shù)的發(fā)展.