descripcion del funcionamiento de un prototipo de la mochila de carga suspendida que aprovecha las oscilaciones mecanicas verticales generadas al caminar.

1. Diseño e implementación de una mochila de
carga suspendida, para generación de energía
eléctrica, aprovechando las oscilaciones
mecánicas generadas al caminar
Bryan Gordillo#1, Jorge Luis Jaramillo#2
#1
Profesional en formación, Universidad Técnica Particular de Loja.
Docente de la SEE del DCCE, Universidad Técnica Particular de Loja.
#2
Loja, Ecuador
bagordillo@utpl.edu.ec#1, jorgeluis@utpl.edu.ec#2
Resumen—Se describe el diseño e implementación
experimental de una mochila de carga suspendida, que
genera energía eléctrica al aprovechar la energía mecánica
generada al caminar.
Palabras clave — harvesting de energia, mochila de carga
suspendida.
I.
INTRODUCCIÓN
La Sección de Energía y Electrónica SEE, forma
parte del Departamento de Ciencias de la Computación
y Electrónica DCCE de la UTPL. Dentro de las líneas
de acción de la SEE, se menciona la investigación en el
aprovechamiento
de
energías
renovables
no
convencionales ERNC.
Considerando que, en la I+D+I en el
aprovechamiento de ERNC, un rol muy importante
juegan las interacciones intra e intergeneracionales,
desde la SEE se ha implementado una serie de
iniciativas para involucrar a diferentes actores
académicos. Ese es el caso de los estudiantes de la
Titulación de
Ingeniería
en
Electrónica
y
Telecomunicaciones, que matriculados en el Practicum
I, postulan para formar parte del grupo de investigación
preliminar en el aprovechamiento de ERNC.
II.
A.
LÍNEA BASE DE LA PROPUESTA
Descripción general de la propuesta
En la bibliografía [1], se describe una mochila
conformada por un marco rígido, atado a la espalda del
usuario, y, una placa de carga, suspendida del marco a
través de resortes. A medida que la persona camina, la
placa se desliza hacia arriba y hacia abajo del marco.
Este movimiento activa una placa dentada, que acciona
un generador eléctrico.
La Fig.1 muestra un esquema constructivo de la
mochila de carga suspendida, entre cuyos elementos
constitutivos se refiere un generador acoplado a un
sistema piñón-cremallera, resortes (spring), un
transductor lineal (linear transducer); una célula de
carga (load cell), un mecanismo de bloqueo (locking
mechanism), varillas verticales (vertical rod), cojinetes
(bushing), correas para brazos (arm strap), y, correas
para cintura (waist strap).
En el semestre septiembre 2013, el grupo de
investigación preliminar centró sus esfuerzos en el
aprovechamiento de energía humana. Como parte de
las propuestas presentadas para el estudio detallado, se
presentó la generación de energía eléctrica a partir de
carga suspendida. En este trabajo, se describen los
resultados obtenidos en el diseño e implementación de
un prototipo propio.
Fig. 1 Esquema constructivo de la mochila de carga
suspendida [2].
a) elementos constitutivos. b) carga conectada a la placa de carga

2. B. Harvesting de energía en la mochila de carga
suspendida
La locomoción humana genera oscilaciones
similares a las de un péndulo invertido [2] (ver Fig.2).
En cada paso, al saltar sobre la pierna extendida, la
cadera se mueve de arriba abajo, entre 4 y 7 cm. Dado
que, por su diseño, la mochila se conecta directamente a
la cadera, esta también oscila verticalmente. La
oscilación vertical de la mochila impulsa una
cremallera, que a través de un piñón, activa un
generador eléctrico.
A.
Diseño e implementación del soporte base
Para preparar los esquemas mecánicos del soporte
base de la mochila, se utilizó CadStd lite v3.73, CAD de
distribución gratuita [5]. La Fig.4 muestra el esquema
constructivo propuesto para el marco rígido. La
geometría del marco rígido se propuso considerando
que el potencial pedestre, corresponde al biotipo de
entre 1.50 m y 1.60 m de altura.
Fig. 2 Formación de las oscilaciones verticales de la
mochila de carga suspendida, como resultado de la
locomoción humana [2]
La cantidad de energía generada, depende del peso
de la mochila, y, de la velocidad del pedestre. Las
investigaciones preliminares mostraron que, para pesos
entre 18 y 36 Kg, un usuario promedio podría generar
hasta 7.4 W. Este aporte resulta significativo, si se
considera que típicamente, los teléfonos móviles, e
incluso los dispositivos de visión nocturna, requieren
menos de 1 W para funcionar [3].
Otro aporte importante en el diseño de la mochila de
carga suspendida, es la disminución, entre el 82 y 86%,
de fuerzas dinámicas aplicadas al cuerpo humano,
reduciendo la tasa metabólica de transporte de la carga
[4].
III.
Fig. 4. Esquema constructivo del marco rígido, realizado en
CadStd lite v3.73 [Autores]
Definido el esquema constructivo del marco rígido,
se decidió utilizar una metodología de tres pasos para su
implementación, tal como lo muestra la Fig.5.
DISEÑO E IMPLEMENTACIÓN DE UN PROTOTIPO
EXPERIMENTAL
Para el diseño e implementación de un prototipo
experimental de una mochila de carga suspendida, se
adoptó una metodología de aproximación por etapas, tal
como lo muestra la Fig.3.
Fig. 5. Metodología de implementación del marco rígido y
anexos [Autores]
Los segmentos que conforman el marco rígido se
cortaron de una platina y tubo galvanizados. Los
segmentos se soldaron entre sí utilizando suelda
eléctrica. Terminada la construcción del marco, se soldó
las guías de las barras móviles, y, se perforó los
orificios para asegurar los resortes y el generador.
Fig. 3. Etapas de la metodología de diseño e
implementación del prototipo experimental. [Autores]
La Fig.6 muestra el esquema constructivo propuesto
para las barras móviles. El sistema de barras móviles se

3. construyó en base a 2 tubos de aluminio, unidos entre sí
por una barra cuadrada
B. Diseño
generación
e
implementación
del
nodo
de
La Fig.8 muestra la metodología adoptada para
diseñar e implementar el nodo de generación en el
prototipo.
Fig. 8 Esquema de diseño e implementación del nodo de
generación en el prototipo experimental [Autores]
En un primer paso, se diseña e implementa el
acoplamiento de cremallera. La cremallera se construyó
en platina, de acuerdo a las especificaciones mostradas
en la Fig.9, y, se fijó al sistema de barras móviles, tal
como se muestra en la Fig. 10. Para implementar el
segmento dentado de la cremallera, se utilizó una banda
dentada de una máquina de coser, que fijó a la platina,
utilizando adhesivo plástico.
Fig. 6. Esquema constructivo de las barras móviles, realizado
en CadStd lite v3.73 [Autores]
El marco rígido y el sistema de barras móviles se
unen a través de resortes. La rigidez del resorte a
utilizar, se eligió por prueba y falla, puesto que una alta
rigidez no permite un movimiento eficiente de las
barras, y, una baja rigidez no aporta con la recuperación
requerida en el sistema. Los resortes seleccionados, se
colocaron en el prototipo, tal como los muestra la Fig.7.
Fig. 9. Esquema constructivo de la cremallera, realizado en
CadStd lite v3.73 [Autores]
Fig. 7. Marco estático acoplado con las barras móviles, a
través de resortes. [Autores]
Durante el movimiento del pedestre, la parte
dentada de la cremallera activa una rueda dentada,
montada sobre el eje de un generador eléctrico. En este
proyecto, aprovechando la reversibilidad de operación
de las máquinas eléctricas, se decidió emplear como
generador, un motor tipo NMB-MAT PM35S-048,
cuyas principales características técnicas se muestran en
la Tabla I. El acoplamiento final del motor al nodo de
generación, se muestra en la Fig.10. Las pruebas
preliminares, mostraron que se podía obtener
diferencias de potencial de hasta 4V en los extremos del
generador.

4. Tabla I.
Principales características técnicas del motor NMBMAT PM35S-048 [6], [7]
Motor Size
PM35S-048
Number of Steps per Rotation 48(7.5 /Step)
Drive Method
2-2 PHASE
unipolar
bipolar
Drive Circuit
const. volt.
chopper
Drive Voltage
24[V]
24[V]
Current / Phase
600[mA]
Coil Resistance / Phase
50[ ]
6.6[ ]
Drive IC
2SC3346
UDN2916B-V
Ferrite plastic magnet (MSPL)
Polar
anisotropy
ferrite
Magnet Material
sintered
magnet
(MS50)
Nd-Fe-B bonded magnet
(MS70)
Insulation Resistance
100M [ ] MIN
Dielectric Strength
AC 500[V] 1[min]
Class of Insulation
CLASS E
Operating Temp.
-10[ ] 50[ ]
Storage Temp.
-30[ ] 80[ ]
Operating Hum.
20[%] RH 90[%] RH
Fig. 11. Esquema constructivo del plato de carga, realizado en
CadStd lite v3.73 [Autores]
Fig. 10. Nodo de generador acoplado [Autores]
C.
Diseño e implementacion del plato de carga
La Fig.11 muestra el esquema constructivo
propuesto para el plato de carga. Este plato fue
construido de plywood, y, se acopló al sistema de barras
rígidas y a la mochila, tal como se describe en la Fig.12.
Fig. 12. Mochila acoplada al plato de carga [Autores]
D.
carga
Diseño e implementación de las correas de
En esta etapa, se decidió reutilizar una mochila
común de mercado, a la que se adaptó el marco rígido,
el sistema de barras móviles, y, el nodo de generación,
tal como lo muestran las Fig. 13 y 14.

5. en:<http://hermes.mbl.edu/news/press_releases/2005/200
5_pr_09_06.html>
[3] “Una mochila que produce energia electrica” [en linea]
disponible
en:
<http://www.solociencia.com/ingenieria/06020729.htm>
[4] “Suspended load ergonomic backpack” [en linea]
disponible en:
<http://www.google.com/patents/US7931178>
[5]
[6]
CadStd CAD ESTÁNDAR [en linea] disponible en :
<http://www.cadstd.com/news.html>
PM Motors - PM Type [en linea] disponible en : <
https://enmb.us/content/html/en/motor_list/pm_motor/pm
35s048.shtml>
[7] Motor NMB-MAT PM35S-048 [en linea] disponible en : <
https://enmb.us/content/html/en/motor_list/pm_motor/im
ages/pm35s_pic.gif >
Fig. 13. Acoplamiento de las correas de carga [Autores]
Fig. 14. Mochila de carga sus pendida terminada
[Autores]
IV.
EVALUACIÓN DEL DESEMPEÑO DEL PROTOTIPO
Las pruebas preliminares efectuadas con la mochila
implementada, permitieron demostrar que si es posible
capturar energía durante la caminata de un pedestre. Sin
embargo, se detectó una serie de problemas con el
diseño mecánico, que no permiten que la carga se
distribuya uniformemente, lo que compromete el
funcionamiento del nodo de generación. Estos
problemas se atenderán en trabajos futuros.
V.

La implementación de prototipos de harvesting de
energía al caminar, enfrenta retos mecánicos,
eléctricos, electrónicos, y, otros de diversa índole,
razón por la cual es necesario conformar equipos
de trabajo multidisciplinarios.
VI.
[1]
CONCLUSIONES
REFERENCIAS
“Mochila de alta tecnología genera electricidad a medida
que
camina”
[en
linea]
disponible
en:
<http://www.livescience.com/9332-high-tech-backpackcreates-electricity-hike.html>
[2] MBL, “un nuevo giro en el poder caminar” [en linea]
disponible