Energy Harvesting, also known as power harvesting or ambient power, is the process of obtaining small amounts of power from secondary sources, such as vibrations, light, temperature variations and even radio-frequency emissions. These systems have been uncommon in personal and wearable electronics in the past, however they are slowly gaining traction. With the increasing sophistication of prosthetic limbs and implants, devices that in some cases require a consistent and reliable power source, the potential field of application for energy harvesting grows wider. This thesis project evaluates whether energy harvesting methods could be implemented in future prosthetic limb designs without significantly affecting weight, user comfort, complexity of design etc., and whether the gains of such an implementation would be worth the effort and cost put into it. For reference the project used the RHEO KNEE® by Össur Hf., a microcontroller controlled prosthetic knee, as a device that such a system could be integrated with. Energy harvesting is still an emerging field and is a long time away from being a viable primary power source for most electronic devices. However, it still might have potential as a supplementary source for extending charge cycles or making smaller (and therefore more lightweight) power cells viable. This master’s thesis project was broad in scope and included 3D-design; mechanical, electrical and embedded software design; and setting up a miniature kinetic power generator as well as a photovoltaic harvesting system. No amputees were available for testing the designs so the system was tested with a 3D-printed model that was moved by hand to simulate the generation process. Due to some incorrect inital assumptions, the final electronic design was not optimal for this kind of system. However, a kinetic generator that harvested power from a modeled heel striking the ground 50 times a minute produced about 23mW of power. 53cm2 of photovoltaic panels produced 42μW of power in an ambient light setting. For comparison, a low-power microcontroller needed about 119μW of power on average to do some simple processing and send Bluetooth transmissions once every two seconds. / Energiinsamling (e. Energy Harvesting), är processen för att erhålla små mängder kraft från sekundära källor, såsom vibrationer, ljus, temperaturvariationer och utstrålning i radiofrekvens. Dessa system har varit ovanliga i hemelektronik och bärbar teknik, men de vinner sakta dragkraft. Med den ökande förfining av proteser och implantat, som i vissa fall kräver en jämn och pålitlig strömkälla, växer det potentiella användningsområdet för energiinsamling. Detta examensarbete utvärderar huruvida energiinsamlingsmetoder skulle kunna implementeras i framtida proteskonstruktioner utan att nämnvärt påverka vikt, användarkomfort, komplexitet i design etc., och om vinsterna med en sådan implementering skulle vara värd ansträngningen och kostnaden. Som exempel använde detta projekt en datoriserad knäprotes av Össur HF, RHEO KNEE®, som exempel på ett system som energiinsamling skulle kunna integreras med. Energiinsamling är fortfarande ett växande forskningsområde och är långt ifrån att en strömkälla för det mesta elektronik.. Det kan ändå ha potential som en kompletterande strömkälla som kan förlänga laddningscykler eller göra mindre (och därför lättare) batterier möjliga. Detta examensarbete var brett i omfattning och inkluderade 3D-design; mekanisk-, elektrisk- och mjukvara-design; och inrättning av en kinetisk kraftgenerator i miniatyr samt ett ljusdrivet energiinsamlingssystem. Inga amputerade var tillgängliga för att testa designen, därför så testades systemet med en 3D-printad modell som rördes för hand för att simulera strömförsörjelseprocessen. På grund av några felaktiga initiala antaganden var den slutliga elektroniska designen inte optimal för denna typ av system. Ändå lyckades en kinetisk generator som använde energiinsamlingsprinciper producera cirka 23mW ström genom en simulerad häl som träffade marken cirka 50 gånger i minuten. 53cm2 solcellspaneler producerade 42μW energi i en ljussatt miljö. Som jämförelse behövde en strömsnål styrkrets i genomsnitt cirka 119μW effekt för att genomföra enkla programprocesser och skicka Bluetooth-överföringar en gång varannan sekund. / Hliðarorkuöflun (e. energy harvesting), sem einnig bætti kalla umhverfisöflun, er ferlið við að fá lítið magn af orku frá óbeinum aflgjafa, svo sem frá hristingi, ljósi, hitabreytingum og jafnvel útvarpsbylgjum. Þessi kerfi hafa verið sjaldgæf í raftækjum hingað til, þó þau eru hægt og rólega að fá hlutdeild. Með nýrri og fágaðri gervilimum og ígræðslum, tæki sem í sumum tilvikum þurfa samfellda og áreiðanlega orkjugjafa, víkkar mögulegt notkunarsvið hliðarorkuöflunar. Þetta lokaverkefni metur hvort aðferðir við hliðarorkuöflun gætu verið notaðar í hönnun gervilima framtíðarinnar án þess að hafa neikvæð áhrif á þyngd, þægilegheit, flóknun hönnunar o.þ.h., og hvort hagur sé í samræmi við framlag og kostnað. Þetta verkefni notar RHEO KNEE® frá Össuri Hf. sem viðmið, sem er gervihné stjórnað af örtölvu. Viðmiðinu er ætlað að sýna notagildi kerfisins. Hliðarorkuöflun er ennþá svið í þróun og er nokkuð í að það geti orðið frumorkugjafi fyrir flest raftæki. Hins vegar þá gæti það enn átt möguleika á að vera aukaorkugjafi til að auka tímalengd hverrar hleðslu eða gera minni og léttari rafhlöður raunhæfari. Þetta meistaraverkefni var viðamikið að því leiti að það fól í sér þrívíddarhönnun; vél-, raf- og hugbúnaðarhönnun; og uppsetningu á hreyfirafal ásamt ljósorkuöflunarkerfi. Engir einstaklingar sem misst hafa fót voru til staðar til að prófa hannanir þessa verkefnis. Þ.a.l. voru þær prófaðar með þrívíddarprentuðum líkönum sem hreyfð voru með handafli til að líkja eftir orkuframleiðsluferlinu. Vegna rangrar upprunalegrar forsendu þá var endanleg rafhönnunin ekki ákjósanleg fyrir slíkt kerfi. Hreyfirafall tengdur við gervihæl sem sló jörðu 50 sinnum á mínútu framleiddi þó 23mW af orku. 53cm2 af ljósorkueiningum framleiddu 42μW af afli í meðal herbergisbirtu. Til samanburðar þá eyðir skilvirk örtölva u.þ.b. 119μW af afli í einfaldri tölvuvinnslu ásamt því að senda Bluetooth sendingu á tveggja sekúnda fresti.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-337299 |
| Date | January 2023 |
| Creators | Rúnarsson, Ódinn K. |
| Publisher | KTH, Skolan för elektroteknik och datavetenskap (EECS), Stockholm : KTH Royal Institute of Technology |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-EECS-EX ; 2023:662 |
Page generated in 0.0026 seconds