Sensors 2012, 12, 10248-10258; doi:

Sensors 2012, 12, 10248-10258; doi:10.3390/s120810248
sensors
ISSN 1424-8220
www.mdpi.com/journal/sensors
Article
Harvesting Energy from the Counterbalancing (Weaving)
Movement in Bicycle Riding
Yoonseok Yang 1
, Jeongjin Yeo 2
and Shashank Priya 3,*
1
Biomedical Engineering, Chonbuk National University, Deokjin-dong Jeonju 664-14, Korea;
E-Mail: [e-mail]
2
Healthcare Engineering, Chonbuk National University, Deokjin-dong Jeonju 664-14, Korea;
E-Mail: [e-mail]
3
Center for Energy Harvesting Materials and Systems (CEHMS), Virginia Tech, Blacksburg,
VA 24061, USA
* Author to whom correspondence should be addressed; E-Mail: [e-mail];
Tel.: [phone]; Fax: [phone].
Received: 25 May 2012; in revised form: 12 July 2012 / Accepted: 17 July 2012 /
Published: 30 July 2012
Abstract: Bicycles are known to be rich source of kinetic energy, some of which is
available for harvesting during speedy and balanced maneuvers by the user. A
conventional dynamo attached to the rim can generate a large amount of output power at an
expense of extra energy input from the user. However, when applying energy conversion
technology to human powered equipments, it is important to minimize the increase in extra
muscular activity and to maximize the efficiency of human movements. This study
proposes a novel energy harvesting methodology that utilizes lateral oscillation of bicycle
frame (weaving) caused by user weight shifting movements in order to increase the
pedaling force in uphill riding or during quick speed-up. Based on the 3D motion analysis,
we designed and implemented the prototype of an electro-dynamic energy harvester that
can be mounted on the bicycle’s handlebar to collect energy from the side-to-side
movement. The harvester was found to generate substantial electric output power of
6.6 mW from normal road riding. It was able to generate power even during uphill riding
which has never been shown with other approaches. Moreover, harvesting of energy from
weaving motion seems to increase the economy of cycling by helping efficient usage of
human power.

OPEN ACCESS
Sensors 2012, 12 10249
Keywords: energy harvesting; bicycle weaving; economy of human cycling
1. Introduction
A bicycle is rich source of kinetic energy and thus there have been continuous efforts to harvest
electric energy from its movement [1]. A wheel-based dynamo has been implemented on many
bicycles for powering the flashlights. Dynamos can generate large amounts of output power, however,
the friction at the contact between a wheel and dynamo rotator significantly increases the mechanical
work required for pedaling. Recently, a regenerative braking system for bicycle has been developed by
researchers in MIT [2], which may provide a viable solution for portable electric power during bicycle
riding without affecting the user performance, but the hub motor used as generator in the regenerative
system adds extra weight and complexity to the bicycle itself, thereby limiting its usability. The most
important factor to be considered in developing electric generator for bicycle is user convenience in
terms of extra mechanical work and economy of cycling, which totally depends on human power [3].
This is why most of the recent energy harvesting researches applied on bicycle have been focusing on
use of vibration harvesters instead of classic dynamos [4]. However, there has not been any successful
experimental effort demonstrating the practically acceptable level of output electric power generated
from bicycle in real environments. Most of the experiments so far have been conducted in the
laboratory environment with periodic input signals which has limited applicability towards analyzing
the user–harvester interaction [1]. Thus, a new approach towards harvesting the kinetic energy on
bicycle platform accompanied by real field tests is not only desired but also essential for practical
implementation.
In observing the riding movement of bicycle, we noticed that it makes a three-dimensional
trajectory “like a weaving motion” rather than a simple planar movement [5]. This three-dimensional
movement is natural to the bicycle ride that ordinary people, without mentioning professional riders,
usually perform in order to use their power more economically by concentrating their body weight on
each pedal each time during the stroke cycle while use the same movement at the same time to
balance. This is more obvious during the uphill riding or while accelerating [6,7]. This weaving motion
tilts the whole bicycle frame noticeably with the maximum motion produced at its handlebar which is
the farthest spot from the ground. The energy contained in this handlebar motion is much greater than
the vertical vibration component caused by the uneven road surface. Further, this natural side-to-side
counter-balancing motion does not require extra pedaling but rather helps the econom

ผลลัพธ์ (ไทย) 2:

เซนเซอร์ 2012, 12 10,248-10,258; ดอย: 10.3390 / s120810248
เซ็นเซอร์
ISSN 1424-8220
www.mdpi.com/journal/sensors
บทความ
การเก็บเกี่ยวพลังงานจากถ่วงดุล (ทอผ้า)
การเคลื่อนไหวในการขี่จักรยาน
Yoonseok ยาง 1
, Jeongjin ยีโอ 2
และ Shashank Priya 3 *
1
วิศวกรรมชีวการแพทย์ Chonbuk มหาวิทยาลัยแห่งชาติ Deokjin-dong จอนจู 664-14 เกาหลี;
E-Mail: [e-mail]
2
การดูแลสุขภาพวิศวกรรมศาสตร์มหาวิทยาลัยแห่งชาติ Chonbuk, Deokjin-dong จอนจู 664-14 เกาหลี;
E-Mail: yeojjin85 @ gmail COM
3
ศูนย์พลังงานวัสดุการเก็บเกี่ยวและระบบ (CEHMS) มหาวิทยาลัยเวอร์จิเนียเทคแบล็ก,
VA 24061, USA
ผู้เขียน * ผู้ที่ควรได้รับจดหมายที่จ่าหน้า; E-Mail: [e-mail];
Tel .: + 1-540-231-0745; โทรสาร: + 1-540-231-2903.
ที่ได้รับ: 25 พฤษภาคม 2012; ในรูปแบบแก้ไข: 12 กรกฎาคม 2012 / ได้รับการยืนยัน: 17 กรกฎาคม 2012 /
เผยแพร่: 30 กรกฎาคม 2012
บทคัดย่อ: จักรยานเป็นที่รู้จักเป็นแหล่งอุดมสมบูรณ์ของพลังงานจลน์บางแห่งซึ่งเป็น
ใช้ได้สำหรับการเก็บเกี่ยวในช่วงการซ้อมรบได้อย่างรวดเร็วและมีความสมดุลโดยผู้ใช้
ไดนาโมธรรมดาที่ติดอยู่กับขอบสามารถสร้างจำนวนมากของการส่งออกพลังงานที่
ค่าใช้จ่ายของพลังงานพิเศษจากผู้ใช้ แต่เมื่อใช้การแปลงพลังงาน
เทคโนโลยีเพื่ออุปกรณ์ขับเคลื่อนของมนุษย์เป็นสิ่งสำคัญเพื่อลดการเพิ่มขึ้นในการเสริม
กิจกรรมของกล้ามเนื้อและเพื่อเพิ่มประสิทธิภาพของการเคลื่อนไหวของมนุษย์ การศึกษาครั้งนี้
ได้นำเสนอวิธีการเก็บเกี่ยวพลังงานใหม่ที่ใช้การสั่นข้างของจักรยาน
เฟรม (การทอผ้า) ที่เกิดจากน้ำหนักของผู้ใช้ขยับเคลื่อนไหวในการสั่งซื้อเพื่อเพิ่ม
แรงถีบในการขี่ม้าขึ้นเนินหรือในระหว่างที่รวดเร็วความเร็วสูงขึ้น บนพื้นฐานของการวิเคราะห์การเคลื่อนไหวแบบ 3 มิติ
ที่เราออกแบบและดำเนินการเป็นต้นแบบของเก็บเกี่ยวพลังงานไฟฟ้าแบบไดนามิกที่
สามารถติดตั้งบนมือจับจักรยานในการเก็บรวบรวมพลังงานจากด้านหนึ่งไปอีกด้าน
การเคลื่อนไหว เก็บเกี่ยวถูกพบในการสร้างพลังงานส่งออกที่สำคัญของไฟฟ้า
6.6 เมกะวัตต์จากการขี่ถนนปกติ มันก็สามารถที่จะสร้างพลังงานแม้ในช่วงขี่ขึ้นเนิน
ที่ไม่เคยแสดงด้วยวิธีการอื่น ๆ นอกจากนี้การเก็บเกี่ยวพลังงานจาก
การทอผ้าการเคลื่อนไหวดูเหมือนว่าจะเพิ่มทางเศรษฐกิจของการขี่จักรยานด้วยการช่วยให้การใช้งานที่มีประสิทธิภาพของ
การใช้พลังงานของมนุษย์.

เปิดการเข้าถึง
เซนเซอร์ 2012, 12 10249
คำสำคัญ: การเก็บเกี่ยวพลังงาน; การทอผ้าจักรยาน; เศรษฐกิจของการขี่จักรยานของมนุษย์
1 บทนำ
จักรยานเป็นแหล่งที่อุดมไปด้วยพลังงานจลน์และทำให้มีความพยายามอย่างต่อเนื่องที่จะเก็บเกี่ยว
พลังงานไฟฟ้าจากการเคลื่อนไหวของมัน [1] ไดนาโมล้อตามที่ได้รับการดำเนินการในหลาย
จักรยานสำหรับการเปิดไฟฉาย ไดนาโมสามารถสร้างจำนวนมากของพลังงานออก แต่
แรงเสียดทานในการติดต่อระหว่างล้อและไดนาโม Rotator อย่างมีนัยสำคัญเพิ่มกล
การทำงานที่จำเป็นสำหรับการใช้ถีบ เมื่อเร็ว ๆ นี้ระบบเบรกสำหรับรถจักรยานได้รับการพัฒนาโดย
นักวิจัยเอ็มไอที [2] ซึ่งอาจให้โซลูชั่นที่ทำงานสำหรับการใช้พลังงานไฟฟ้าแบบพกพาระหว่างจักรยาน
ขี่โดยไม่มีผลต่อประสิทธิภาพการทำงานของผู้ใช้ แต่มอเตอร์ฮับที่ใช้เป็นเครื่องกำเนิดไฟฟ้าในการปฏิรูป
ระบบเพิ่ม น้ำหนักที่เพิ่มขึ้นและความซับซ้อนในการจักรยานของตัวเองจึง จำกัด การใช้งานของ ส่วนใหญ่
ปัจจัยสำคัญที่ต้องได้รับการพิจารณาในการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับจักรยานคือความสะดวกสบายของผู้ใช้ใน
แง่ของกลไกการทำงานพิเศษและเศรษฐกิจของการขี่จักรยานซึ่งทั้งหมดขึ้นอยู่กับอำนาจของมนุษย์ [3].
นี่คือเหตุผลที่มากที่สุดของงานวิจัยการเก็บเกี่ยวพลังงานที่ผ่านมานำมาใช้ในจักรยาน ได้รับการมุ่งเน้นไปที่
การใช้งานของเครื่องเกี่ยวนวดสั่นสะเทือนแทนแอนตี้คลาสสิก [4] แต่มียังไม่ได้รับการใด ๆ ที่ประสบความสำเร็จ
ความพยายามทดลองแสดงให้เห็นถึงระดับที่ยอมรับได้ในทางปฏิบัติของการใช้พลังงานไฟฟ้าเอาท์พุทที่สร้าง
จากจักรยานในสภาพแวดล้อมจริง ส่วนใหญ่ของการทดลองเพื่อให้ห่างไกลได้รับการดำเนินการใน
สภาพแวดล้อมในห้องปฏิบัติการที่มีสัญญาณเป็นระยะที่มีการบังคับใช้ที่ จำกัด ต่อการวิเคราะห์
ปฏิสัมพันธ์ใช้เครื่องเกี่ยวนวด [1] ดังนั้นวิธีการใหม่ที่มีต่อการเก็บเกี่ยวพลังงานจลน์บน
แพลตฟอร์มจักรยานมาพร้อมกับการทดสอบภาคสนามจริงไม่ได้ต้องการเพียง แต่ยังจำเป็นสำหรับการปฏิบัติ
ดำเนินงาน.
ในการสังเกตการเคลื่อนไหวของการขี่จักรยานเราสังเกตเห็นว่ามันทำให้สามมิติ
วิถี "เหมือน การทอผ้าการเคลื่อนไหว "มากกว่าการเคลื่อนไหวในแนวระนาบง่าย [5] นี้สามมิติ
เคลื่อนไหวเป็นธรรมชาติที่จะขี่จักรยานที่คนธรรมดาไม่ต้องกล่าวถึงผู้ขับขี่มืออาชีพ
มักจะดำเนินการเพื่อที่จะใช้อำนาจของพวกเขามากขึ้นทางเศรษฐกิจโดยมุ่งเน้นน้ำหนักของร่างกายของพวกเขาใน
แต่ละเหยียบแต่ละครั้งในระหว่างรอบจังหวะในขณะที่ใช้การเคลื่อนไหวเดียวกัน ในเวลาเดียวกันเพื่อ
ความสมดุล นี้เป็นที่ชัดเจนมากขึ้นในช่วงขี่ขึ้นเนินหรือในขณะที่เร่ง [6,7] การเคลื่อนไหวการทอผ้านี้
เอียงเฟรมจักรยานทั้งเห็นได้ชัดที่มีการเคลื่อนไหวสูงสุดผลิตที่จับของมันซึ่งเป็น
จุดที่ไกลที่สุดจากพื้นดิน พลังงานที่มีอยู่ในการเคลื่อนไหวมือจับนี้มากขึ้นกว่า
ที่เป็นส่วนประกอบการสั่นสะเทือนในแนวตั้งที่เกิดจากพื้นผิวถนนที่ไม่เรียบ นอกจากนี้ธรรมชาติด้านหนึ่งไปอีกด้าน
เคลื่อนไหวเคาน์เตอร์สมดุลไม่จำเป็นต้องมีการใช้ถีบพิเศษ แต่จะช่วยให้ Econom

ผลลัพธ์ (ไทย) 3:

เซ็นเซอร์ 2012 , 12 , 10248-10258 ; ดอย : 10.3390/s120810248เซ็นเซอร์ชื่อ 1424-8220www.mdpi.com/journal/sensorsบทความการเก็บเกี่ยวพลังงานจาก counterbalancing ( ทอผ้า )การเคลื่อนไหวในการปั่นจักรยานyoonseok ยาง 1jeongjin โย 2 ,shashank ปรียาและ 3 *1วิศวกรรมชีวการแพทย์ , มหาวิทยาลัยแห่งชาติ ชนบุค deokjin จอนจู , ดง 664-14 เกาหลี ;[e-mail] E-mail :2วิศวกรรมการแพทย์ มหาวิทยาลัยแห่งชาติ ชนบุค deokjin จอนจู , ดง 664-14 เกาหลี ;[e-mail] E-mail :3 .ศูนย์พลังงานระบบวัสดุและ ( cehms ) , Virginia Tech blacksburg , ,24061 VA , สหรัฐอเมริกา* ผู้ที่ติดต่อควรจะ addressed E-mail : [e-mail] ;โทร : + 1-540-231-0745 ; โทรสาร : + 1-540-231-2903 .ได้รับ : 25 พฤษภาคม 2012 ; แก้ไขรูปแบบ : 12 กรกฎาคม 2555 : 17 กรกฎาคม 2012 / / ยอมรับเผยแพร่ : 30 กรกฎาคม 2555บทคัดย่อ : จักรยานเป็นที่รู้จักกันเป็นแหล่งอุดมสมบูรณ์ของพลังงานบางส่วนที่เป็นพร้อมสำหรับการเก็บเกี่ยวในช่วงที่รวดเร็วและสมดุล การจัดทัพ โดยผู้ใช้ เป็นไดนาโมแบบแนบกับขอบสามารถสร้างจำนวนมากของพลังงานที่ค่าใช้จ่ายของค่าพลังงานที่เพิ่มจากผู้ใช้ อย่างไรก็ตาม เมื่อใช้แปลงพลังงานเทคโนโลยีอุปกรณ์ขับเคลื่อนของมนุษย์ มันเป็นสิ่งสำคัญที่จะลดเพิ่มพิเศษกิจกรรมของกล้ามเนื้อ และเพิ่มประสิทธิภาพของการเคลื่อนไหวของมนุษย์ การศึกษานี้นำเสนอวิธีการใหม่ที่ใช้พลังงานแสงด้านข้างของจักรยานกรอบ ( ทอผ้า ) เกิดจากน้ำหนักผู้ใช้เปลี่ยนการเคลื่อนไหวเพื่อเพิ่มถีบแรงขึ้นขี่ หรือความรวดเร็วในช่วง . ขึ้นอยู่กับ 3D เคลื่อนไหวการวิเคราะห์เราได้ออกแบบ และพัฒนาต้นแบบของโรงเก็บเกี่ยวพลังงานแบบไดนามิกสามารถติดตั้งบนแฮนด์จักรยานจักรยานมันเก็บพลังงานจากด้านข้างการเคลื่อนไหว เก็บเกี่ยวพบว่าสร้างมากผลผลิตไฟฟ้าของ6.6 เมกะวัตต์ จากถนนปกติขี่ มันสามารถสร้างพลังงานแม้ในช่วงขึ้นเขาขี่ม้าซึ่งไม่เคยปรากฏ ด้วยวิธีอื่น ๆ นอกจากนี้การเก็บเกี่ยวพลังงานการทอผ้าเคลื่อนไหวดูเหมือนว่าเพิ่มขึ้นเศรษฐกิจของจักรยานโดยการใช้พลังของมนุษย์การเข้าถึงเปิดเซ็นเซอร์ 2012 , 12 10249คำสำคัญ : การเก็บเกี่ยวพลังงาน จักรยานของจักรยานมนุษย์ทอผ้า เศรษฐกิจ1 . แนะนำจักรยานเป็นแหล่งอุดมของพลังงานจลน์และดังนั้นจึงมีความพยายามอย่างต่อเนื่องที่จะเก็บเกี่ยวไฟฟ้าพลังงานจากการเคลื่อนไหว [ 1 ] ของ ไดนาโมที่ใช้ล้อที่มีการใช้งานในหลายจักรยานสำหรับใช้ไฟฉาย ไดนาโมสามารถสร้างจำนวนมากของพลังงานที่ส่งออก อย่างไรก็ตามแรงเสียดทานที่ติดต่อระหว่างล้อและไดนาโมหมุนอย่างมากเพิ่มกลงานที่ต้องมา เมื่อเร็วๆ นี้ เปลี่ยนแปลงระบบห้ามล้อจักรยานที่ได้รับการพัฒนาโดยนักวิจัย MIT [ 2 ] ซึ่งอาจจะให้บริการโซลูชั่นที่ทำงานได้สำหรับพกพาระหว่างจักรยานไฟฟ้าขี่โดยไม่มีผลต่อประสิทธิภาพของผู้ใช้ แต่ฮับมอเตอร์ที่ใช้ไฟฟ้าในการสร้างใหม่ระบบเพิ่มน้ำหนักที่เพิ่มและความซับซ้อนจักรยานตัวเองเพื่อ จำกัด การใช้งาน มากที่สุดปัจจัยสำคัญที่ต้องพิจารณาในการพัฒนาเครื่องกำเนิดไฟฟ้าสำหรับจักรยานคือความสะดวกสบายของผู้ใช้ในด้านงานเครื่องกลพิเศษและเศรษฐกิจของจักรยาน ซึ่งทั้งหมดขึ้นอยู่กับอำนาจของมนุษย์ [ 3 ]นี่คือเหตุผลส่วนใหญ่ของการเก็บเกี่ยวพลังงานล่าสุดงานวิจัยที่ใช้กับจักรยานได้ เน้นใช้เครื่องเก็บเกี่ยวการสั่นสะเทือนแทนที่จะคลาสสิกไดนาโม [ 4 ] อย่างไรก็ตาม ยังไม่มีการใด ๆที่ประสบความสำเร็จทดลองแสดงให้เห็นถึงระดับเกือบจะยอมรับความพยายามของการส่งออกกระแสไฟฟ้าจากบริการในสภาพแวดล้อมจริง ที่สุดของการทดลองเพื่อให้ห่างไกลได้รับการดำเนินการในห้องปฏิบัติการสิ่งแวดล้อมกับระยะสัญญาณซึ่งมีจำกัดอย่างยิ่งต่อการวิเคราะห์ผู้ใช้สามารถปฏิสัมพันธ์ ) [ 1 ] ดังนั้น จึงเป็นวิธีการใหม่ที่มีต่อการเก็บพลังงานจลน์ในบริการแพลตฟอร์มมีการทดสอบภาคสนามจริง ไม่เพียงต้องการ แต่ยังเป็นประโยชน์การดําเนินงานในการสังเกตการเคลื่อนไหวของจักรยานขี่ เราสังเกตเห็นว่ามัน 3 มิติวิถี " เช่นการทอผ้าเคลื่อนไหว " มากกว่าเคลื่อนไหวระนาบง่ายๆ [ 5 ] นี้แบบสามมิติเคลื่อนไหวเป็นธรรมชาติ ให้จักรยานขี่ที่คนธรรมดาไม่มีการกล่าวขวัญผู้ขับขี่มืออาชีพมักจะดำเนินการในการใช้พลังของตนมากขึ้น โดยคำนึงถึงน้ำหนักของพวกเขาในทางเศรษฐกิจแต่ละคันแต่ละครั้งในระหว่างรอบจังหวะในขณะที่ใช้การเคลื่อนไหวเดียวกันในเวลาเดียวกันความสมดุล นี้จะชัดเจนมากขึ้นในช่วงขึ้นเนิน ขี่ หรือ ขณะเร่ง [ 6 , 7 ] การเคลื่อนไหวนี้ทอเอียงทั้งจักรยานเฟรมอย่างเห็นได้ชัด ด้วยการเคลื่อนไหวที่ผลิตสูงสุดของมือจับซึ่งเป็นจุดไกลสุดจากพื้นดิน พลังงานที่มีอยู่ในมือจับเคลื่อนไหวมาก มากกว่าแนวตั้ง องค์ประกอบการสั่นสะเทือนที่เกิดจากพื้นผิวถนนที่ไม่เรียบ เพิ่มเติมนี้ธรรมชาติด้านข้างสมดุลเคลื่อนไหวไม่ต้องมาช่วยเสริม แต่เศรษฐศาสตร์ เคาน์เตอร์