CN103519484A - 自发电计步鞋以及基于该鞋的健康监控系统 - Google Patents
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Abstract
一种自发电计步鞋，包括鞋帮和前鞋底和后鞋底，前鞋底和后鞋底分别包括嵌于其中的前发电装置和后发电装置，前鞋底和后鞋底都采用易变形材料制成，其特征在于前发电装置和后发电装置分别都包括弹性回复体、突起装置和压电陶瓷元件，在行走过程中，足底挤压弹性回复体变形，突起装置挤压压电陶瓷元件产生电压；当抬起时，弹性回复体回复受挤压之前的状态。根据本发明的自发电计步鞋能够产生足量的电能，无需电池，且能有效地计量穿鞋者行走步数，监控穿鞋者行走运动量，达到促进健康的作用。
Description
技术领域
[0001] 本发明涉及一种自发电计步鞋以及基于该鞋的健康监控系统。
背景技术
鞋子是人类日常活动中不可或缺的用品，其能够起到保护足部的作用。人类在行走过程中损耗了大部分的能量，而且行走也和健康息息相关。在日益紧张的都市生活中，尤其是办公室工作人员越来越缺乏运动，这对健康十分不利；另一方面，如果运动量过于巨大，同样对身体会造成伤害。因此社会上亟需一种能够监控人类行走运动量的、而且使用方便的装置。中国实用新型专利CN201108066Y、CN2762591Y都公开了一种能够自行发电的鞋子，但它们的发电形式和结构都比较复杂，容易损坏，不适合长久的使用。
发明内容
[0003] 本申请旨在克服上述缺陷，提供一种自发电计步鞋以及基于该鞋的健康监控系统，具体地，包括鞋帮和前鞋底和后鞋底，前鞋底和后鞋底分别包括嵌于其中的前发电装置和后发电装置，前鞋底和后鞋底都采用易变形材料制成，其特征在于前发电装置和后发电装置分别都包括弹性回复体、突起装置和压电陶瓷元件，在行走过程中，足底挤压弹性回复体变形，突起装置挤压压电陶瓷元件产生电压；当抬起时，弹性回复体回复受挤压之前的状态。
优选地，包括硬质鞋底，而前发电装置和后发电装置置于鞋垫之下。
优选地，包括硬质鞋底和橡胶鞋底，橡胶鞋底位于硬质鞋底之下，前发电装置和后发电装置分别置于橡胶鞋底的前部和后部，对应于前脚掌和脚后跟。
优选地，还包括信号处理模块、信号发射模块，蓄电装置，前发电装置和后发电装置所产生的电能都通过变压整流装置而被收集存储在蓄电装置中；前发电装置还与信号处理模块连接，前发电装置中的压电陶瓷元件每次收到挤压产生电量时都会输送一个计步信号至信号处理模块，信号处理模块会记录计步信号并通过信号发射模块将处理后的计步信号发送至外部接收机，蓄电装置可为信号处理模块、信号发射模块等提供电能。
优选地，发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体，弹性回复体内部空腔的上下表面都具有硬质突起装置，内部空腔中部设置有压电陶瓷元件；压电陶瓷元件利用柔性系带悬空连接于弹性回复体周边；或者，分成两部分，分别粘接于硬质金属薄板的上下两面，金属薄板嵌入弹性回复体周边；优选地，处在弹性回复体内部空腔的上下表面的硬质突起装置相对于弹性回复体的中间水平面呈对称分布；或者，处在弹性回复体内部空腔的上下表面的硬质突起装置相对于弹性回复体的中间水平面交错分布，即任一个上表面硬质突起装置的正下方都不存在任何与其对应的下表面硬质突起装置。
优选地，发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体，弹性回复体内部空腔的上下表面分别设置有上压电陶瓷元件和下压电陶瓷元件，弹性回复体内部空腔中间水平设置有硬质金属薄板，硬质金属薄板的上下表面设置有硬质突起装置，这些硬质突起装置相对于硬质金属薄板对称设置，或者交错设置。
优选地，当交错设置时，且忽略硬质金属薄板厚度时，在平行于行走方向、经过硬质突起装置顶点的竖直截面上，上下硬质突起装置外表面曲线形成连续的正弦波形式。
优选地，压电陶瓷元件为掺杂PZT压电陶瓷，其陶瓷材料的化学式为：Pb0.95Sr0.05（Zr0.525Ti0.475）O3＋0.25mol%Li2O＋0.5mol％Nb2O3＋1.25mol%MgO。
优选地，压电陶瓷元件的制备方法如下：逐个烘干各原料，按化学计量配料；置于装有玛瑙球的尼龙罐中球磨2.5小时，要求粒径小于3.5微米，在915摄氏度下保温1.8小时完成预烧结；精磨3.5小时，加入粘结剂（聚乙烯醇），压成10mm×10mm×1mm的坯体，压力为1600Kg/cm2；在1350摄氏度下保温1.5小时，完成烧结；冷却后，使用砂纸打磨，之后超声清洗至清洗水澄清；采用氢氧化钠煮沸除油，室温下置于氯化亚锡溶液中敏化15分钟， 室温下置于氯化钯溶液中活化15分钟，室温下置于次亚磷酸钠溶液中还原3分钟；在PH值3.8温度85摄氏度下，6水NiSO425g/L、1水NaH2PO220g/L、柠檬酸钠5.5g/L、硼酸35g/L混合溶液中化学镀，优选45分钟；置于180摄氏度硅油中，在3.3kV/mm电场下极化8分钟，静置24小时经测试合格后即可使用。
本发明也涉及一种包括前述自发电计步鞋的健康监控系统，还包括外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置；接收机接收来自于前述信号发射模块所发射的信号，并将信号输入处理模块，经处理之后进行显示甚至是发出警报，外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置集成于一可移动便携装置中。处理模块保存有穿鞋者的身高、体重、年龄、性别信息，健康监控系统还包括温度传感器、湿度传感器和风速传感器，传感器将监测的实时温度、湿度和风速信息发送处理模块，处理模块根据上述相关信息决算穿鞋者适宜的行走运动量；当穿鞋者行走运动量超过或远低于适宜值，报警装置发出警报装置提醒。
根据本发明的自发电计步鞋能够产生足量的电能，无需电池，且能有效地计量穿鞋者行走步数，监控穿鞋者行走运动量，达到促进健康的作用。
附图说明
图1是根据本发明的自发电计步鞋的结构示意图；
图2是根据本发明的自发电计步鞋所采用的发电装置的一个方式截面示意图；
图3是根据本发明的自发电计步鞋所采用的发电装置的另一个方式截面示意图。
具体实施方式
参照图1，根据本发明的自发电计步鞋包括鞋帮1和前鞋底2和后鞋底3，前鞋底2和后鞋底3分别包括嵌于其中的前发电装置4和后发电装置5。前鞋底2和后鞋底3都采用易变形材料制成，例如橡胶。前发电装置4和后发电装置5分别都包括弹性回复体6、突起装置7和压电陶瓷元件8。在行走过程中，足底挤压弹性回复体6变形，突起装置7挤压压电陶瓷元件8产生电压；当抬起时，弹性回复体6回复受挤压之前的状态。在另一个实施方式中，可采用硬质鞋底，而前发电装置4和后发电装置5则置于鞋垫之下。当然，本发明中的自发电计步鞋也可以采用硬质鞋底和橡胶鞋底共同形成鞋底的方式，橡胶鞋底位于硬质鞋底之下，发电装置4和发电装置5分别置于橡胶鞋底的前部和后部，对应于前脚掌和脚后跟。发电装置4和发电装置5的设置位置应保证弹性回复体6能够足够变形以使得突起装置7能够挤压到压电陶瓷元件8。
根据本发明的自发电计步鞋还包括图中未示出的信号处理模块、信号发射模块，蓄电装置，前发电装置4和后发电装置5所产生的电能都通过变压整流装置而被收集存储在蓄电装置中；前发电装置4还与信号处理模块连接，前发电装置4中的压电陶瓷元件8每次受到挤压产生电量时都会输送一个计步信号至信号处理模块，信号处理模块会记录计步信号并通过信号发射模块将处理后的计步信号发送至外部接收机。蓄电装置可为信号处理模块、信号发射模块等提供电能，无需使用干电池。相关电连接方式和电子电路都是所属领域的公知常识，此处不再赘述。
参见图2，其是根据本发明的自发电计步鞋所采用的发电装置的一个方式截面示意图，该发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体6，弹性回复体6内部空腔的上下表面都具有硬质突起装置7，内部空腔中部设置有压电陶瓷元件8；压电陶瓷元件8可利用柔性系带悬空连接于弹性回复体6周边；优选地，也可以分成两部分，分别粘接于硬质金属薄板的上下两面，金属薄板嵌入弹性回复体6周边；后者的连接关系相对于前者更加稳固耐用。优选地，处在弹性回复体6内部空腔的上下表面的硬质突起装置7相对于弹性回复体6的中间水平面呈对称分布，也就是说，每一个上表面硬质突起装置的正下方都存在一个对应的下表面硬质突起装置；更优选地，处在弹性回复体6内部空腔的上下表面的硬质突起装置7相对于弹性回复体6的中间水平面交错分布，即任一个上表面硬质突起装置的正下方都不存在任何与其对应的下表面硬质突起装置。后者布置方式相对于前者能够导致压电陶瓷元件8更大的变形，从而产生更多的电量。
参见图3，其是根据本发明的自发电计步鞋所采用的发电装置的另一个方式截面示意图，该发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体6，弹性回复体6内部空腔的上下表面分别设置有上压电陶瓷元件和下压电陶瓷元件，它们可以例如采用粘接的方式设置于弹性回复体6内部空腔表面上。弹性回复体6内部空腔中间水平设置有硬质金属薄板，硬质金属薄板的上下表面设置有硬质突起装置7。这些硬质突起装置可相对于硬质金属薄板对称设置，也可以交错设置；优选地，当交错设置时，忽略硬质金属薄板厚度，在平行于行走方向、经过硬质突起装置顶点的竖直截面上，上下硬质突起装置外表面曲线形成连续的正弦波形式。
优选地，根据本发明的压电陶瓷元件8为掺杂PZT压电陶瓷，其陶瓷材料的化学式为：Pb0.95Sr0.05（Zr0.525Ti0.475）O3＋0.25mol%Li2O＋0.5mol％Nb2O3＋1.25mol%MgO。相应的制备方法如下：逐个烘干各原料，按化学计量配料；置于装有玛瑙球的尼龙罐中球磨2.5小时，要求粒径小于3.5微米，在915摄氏度下保温1.8小时完成预烧结；精磨3.5小时，加入粘结剂（聚乙烯醇），压成10mm×10mm×1mm的坯体，压力为1600Kg/cm2；在1350摄氏度下保温1.5小时，完成烧结；冷却后，使用砂纸打磨，之后超声清洗至清洗水澄清；采用氢氧化钠煮沸除油，室温下置于氯化亚锡溶液中敏化15分钟， 室温下置于氯化钯溶液中活化15分钟，室温下置于次亚磷酸钠溶液中还原3分钟；在PH值3.8温度85摄氏度下，6水NiSO425g/L、1水NaH2PO220g/L、柠檬酸钠5.5g/L、硼酸35g/L混合溶液中化学镀，优选45分钟；置于180摄氏度硅油中，在3.3kV/mm电场下极化8分钟，静置24小时经测试合格后即可使用。
本发明还涉及一种包括前述自发电计步鞋的健康监控系统，其还包括外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置；接收机接收来自于前述信号发射模块所发射的信号，并将信号输入处理模块，经处理之后进行显示甚至是发出警报。外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置可集成于一可移动便携装置中，例如类似于手表等可佩戴于手腕上的装置。处理模块保存有穿鞋者的身高、体重、年龄、性别甚至医疗病例等信息，健康监控系统也可以包括温度传感器、湿度传感器和风速传感器，传感器将监测的实时温度、湿度和风速信息发送处理模块，处理模块根据上述相关信息决算穿鞋者适宜的行走运动量。当穿鞋者行走运动量超过或远低于适宜值，报警装置发出警报装置提醒。当然，适宜的行走运动量也可以由穿鞋者手动制定写入。
根据本发明的自发电计步鞋能够产生足量的电能，无需电池，且能有效地计量穿鞋者行走步数，监控穿鞋者行走运动量，达到促进健康的作用。
Claims (10)
1.一种自发电计步鞋，包括鞋帮和前鞋底和后鞋底，前鞋底和后鞋底分别包括嵌于其中的前发电装置和后发电装置，前鞋底和后鞋底都采用易变形材料制成，其特征在于前发电装置和后发电装置分别都包括弹性回复体、突起装置和压电陶瓷元件，在行走过程中，足底挤压弹性回复体变形，突起装置挤压压电陶瓷元件产生电压；当抬起时，弹性回复体回复受挤压之前的状态。
2.根据权利要求1所述的自发电计步鞋，其特征在于包括硬质鞋底，而前发电装置和后发电装置置于鞋垫之下。
3.根据权利要求1所述的自发电计步鞋，其特征在于包括硬质鞋底和橡胶鞋底，橡胶鞋底位于硬质鞋底之下，前发电装置和后发电装置分别置于橡胶鞋底的前部和后部，对应于前脚掌和脚后跟。
4.根据前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋，其特征在于还包括信号处理模块、信号发射模块，蓄电装置，前发电装置和后发电装置所产生的电能都通过变压整流装置而被收集存储在蓄电装置中；前发电装置还与信号处理模块连接，前发电装置中的压电陶瓷元件每次受到挤压产生电量时都会输送一个计步信号至信号处理模块，信号处理模块会记录计步信号并通过信号发射模块将处理后的计步信号发送至外部接收机，蓄电装置可为信号处理模块、信号发射模块等提供电能。
5.根据前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋，其特征在于发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体，弹性回复体内部空腔的上下表面都具有硬质突起装置，内部空腔中部设置有压电陶瓷元件；压电陶瓷元件利用柔性系带悬空连接于弹性回复体周边；或者，分成两部分，分别粘接于硬质金属薄板的上下两面，金属薄板嵌入弹性回复体周边；优选地，处在弹性回复体内部空腔的上下表面的硬质突起装置相对于弹性回复体的中间水平面呈对称分布；或者，处在弹性回复体内部空腔的上下表面的硬质突起装置相对于弹性回复体的中间水平面交错分布，即任一个上表面硬质突起装置的正下方都不存在任何与其对应的下表面硬质突起装置。
6.根据前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋，其特征在于发电装置包括形成内部空腔的弹性回复体，弹性回复体内部空腔的上下表面分别设置有上压电陶瓷元件和下压电陶瓷元件，弹性回复体内部空腔中间水平设置有硬质金属薄板，硬质金属薄板的上下表面设置有硬质突起装置，这些硬质突起装置相对于硬质金属薄板对称设置，或者交错设置。
7.根据权利要求6所述的自发电计步鞋，其特征在于当交错设置时，且忽略硬质金属薄板厚度时，在平行于行走方向、经过硬质突起装置顶点的竖直截面上，上下硬质突起装置外表面曲线形成连续的正弦波形式。
8.根据前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋，其特征在于压电陶瓷元件为掺杂PZT压电陶瓷，其陶瓷材料的化学式为：Pb0.95Sr0.05（Zr0.525Ti0.475）O3＋0.25mol%Li2O＋0.5mol％Nb2O3＋1.25mol%MgO。
9.根据前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋，其特征在于压电陶瓷元件的制备方法如下：逐个烘干各原料，按化学计量配料；置于装有玛瑙球的尼龙罐中球磨2.5小时，要求粒径小于3.5微米，在915摄氏度下保温1.8小时完成预烧结；精磨3.5小时，加入粘结剂（聚乙烯醇），压成10mm×10mm×1mm的坯体，压力为1600Kg/cm2；在1350摄氏度下保温1.5小时，完成烧结；冷却后，使用砂纸打磨，之后超声清洗至清洗水澄清；采用氢氧化钠煮沸除油，室温下置于氯化亚锡溶液中敏化15分钟， 室温下置于氯化钯溶液中活化15分钟，室温下置于次亚磷酸钠溶液中还原3分钟；在PH值3.8温度85摄氏度下，6水NiSO425g/L、1水NaH2PO220g/L、柠檬酸钠5.5g/L、硼酸35g/L混合溶液中化学镀，优选45分钟；置于180摄氏度硅油中，在3.3kV/mm电场下极化8分钟，静置24小时经测试合格后即可使用。
10.一种包括前述任一项权利要求所述的自发电计步鞋的健康监控系统，其特征在于还包括外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置；接收机接收来自于计步鞋信号发射模块所发射的信号，并将信号输入处理模块，经处理之后进行显示甚至是发出警报，外部接收机、处理模块、显示模块和报警装置集成于一可移动便携装置中；处理模块保存有穿鞋者的身高、体重、年龄、性别信息，健康监控系统还包括温度传感器、湿度传感器和风速传感器，传感器将监测的实时温度、湿度和风速信息发送处理模块，处理模块根据上述相关信息决算穿鞋者适宜的行走运动量；当穿鞋者行走运动量超过或远低于适宜值，报警装置发出警报装置提醒。
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