CN104337107A - 基于压电材料的人体动能供电智能鞋 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于压电材料的人体动能供电智能鞋。本发明的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，包括鞋体，其特征是：所述的鞋体的底部嵌入压电发电单元，所述的压电发电单元通过稳压滤波器连接充电电池，所述的充电电池连接用电负载。本发明利用人体的生物动能，为可穿戴电子设备持续供电，实现无需外接充电的智能鞋类产品。同时将多种传感器嵌入到鞋子种，实现丰富的功能，包括但不限于：计步，测速，测距，卡路里消耗量，心率，血压，血糖，心电图，运动姿势监测，跳跃高度，跳跃距离，定位，路线跟踪，体感控制，游戏控制等。

Description

基于压电材料的人体动能供电智能鞋

技术领域：

本发明涉及一种基于压电材料的人体动能供电智能鞋，属于智能电子设备技术领域。

背景技术：

运动鞋计速感应器：是测量和记录步行及跑步距离和速度的装置，将微型计速传感器安放在运动鞋的鞋垫下，作用就是由传感器记录锻炼时段、距离、步速、消耗卡路里等数据，在智能设备上显示，并可上传至网站。动力系统主要是电池或可充电电池，因此在使用一段时间后会出现电力不足，需要更换电池或充电。使用者需要注意电量的使用情况，电池的频繁更换也增加了后续处理电池时对环境的污染。

某些材料在机械力作用下产生变形，会引起表面带电的现象，而且其表面电荷密度与应力成正比，这称为正压电效应。当对压电材料施以物理压力时，材料体内之电偶极矩会因压缩而变短，此时压电材料为抵抗这变化会在材料相对的表面上产生等量正负电荷，以保持原状。这种由于形变而产生电极化的现象称为“正压电效应”。常规的压电材料，通常为绝缘体。尽管将它们弯曲或压缩也能产生电势变化，但由于它们无法与金属形成具有单向导电性质的肖特基势垒，因而无法实现电荷积累到释放这一转变过程。因此，目前这些材料还是主要应用于蜂鸣器，传感器等领域。但是通过设计外接电路可以实现电荷的积累，从而进一步扩展该材料的应用范围，设计了一种新型的绿色能源微供力系统。CN101350577A提出了采用压电陶瓷的发电装置，其避免使用转动部件，发明了一种不易损坏的发电装置。 目前也有太阳能发电CN102648379A，但是太阳能发电主要是通过多晶硅，薄膜等材料形成平板发电装置，由于多晶硅受外力易损坏，不能适应复杂环境，所以不适合为可穿戴电子装备供电。

发明内容：

本发明的目的是针对上述存在的问题提供一种基于压电材料的人体动能供电智能鞋，利用人体的生物动能，为可穿戴电子设备持续供电，实现无需外接充电的智能鞋类产品。同时将多种传感器嵌入到鞋子种，实现丰富的功能，包括但不限于：计步，测速，测距，卡路里消耗量，心率，血压，血糖，心电图，运动姿势监测，跳跃高度，跳跃距离，定位，路线跟踪，体感控制，游戏控制等。

上述的目的通过以下的技术方案实现：

基于压电材料的人体动能供电智能鞋，包括鞋体，所述的鞋体的底部嵌入压电发电单元，所述的压电发电单元通过稳压滤波器连接充电电池，所述的充电电池连接用电负载。

基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的压电发电单元包括两个压电材料体，每个所述的压电材料体底部设置有绝缘垫，两个所述的压电材料体上部设置有导电体，所述的导电体在没有外部压力的情况下与所述的压电材料体之间具有间隙并能在外部压力的作用下与苏搜狐的压电材料体之间接触。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的鞋体里面还设置有鞋垫，所述的用电负载设置在所述的鞋垫里面并通过导电触点与所述的充电电池连接。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的用电负载包括传输设备和/或传感器和/或定位设备。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的传输设备包括低功耗蓝牙模块、Wifi模块、ZigBee模块、GSM模块、GPRS模块、3G模块、4G模块、射频模块中的至少一种。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的传感器包括加速度传感器、压力传感器、心跳传感器、血压传感器、血糖传感器、体液分析传感器中的至少一种。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的定位设备包括GPS模块，A-GPS模块中的至少一种。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的鞋体上设置有与所述的充电电池连接的扩展接口。

有益效果：

1．本发明微型化的发电装置，可以为可穿戴电子设备持续供电，解决了电子设备需要时时充电的困扰，将会极大促进可穿戴电子设备的可实用性，方便性。

2．将各种类型的传感器嵌入到鞋子中，将鞋子变成针对不同领域具有丰富实用功能的智能可穿戴设备。

3．供电模块和传感器分离式设计，节省了使用成本。

附图说明：

图1是本发明的结构示意图。

图2是本发明的左视图。

图3是本发明的俯视图。

图中：1、鞋体；2、稳压滤波器；3、充电电池；4、压电材料体；5、绝缘垫；6、导电体；7、鞋垫；8、扩展接口。

具体实施方式：

实施例1：

如图1所示，本实施例的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，包括鞋体1，所述的鞋体的底部嵌入压电发电单元，所述的压电发电单元通过稳压滤波器2连接充电电池3，所述的充电电池连接用电负载。

本实施例的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的压电发电单元包括两个压电材料体4，每个所述的压电材料体底部设置有绝缘垫5，两个所述的压电材料体上部设置有导电体6，所述的导电体在没有外部压力的情况下与所述的压电材料体之间具有间隙并能在外部压力的作用下与苏搜狐的压电材料体之间接触。

其中备选压电材料有压电单晶体、压电多晶体（压电陶瓷）、压电聚合物和压电复合材料等[i]。金属导电材料优先选择性质稳定、导电性能良好、耐腐蚀、延展性好的材料。首先将金属导电材料和压电材料分别加工成薄片，厚度根据材料性质不同控制在1毫米以内。压电材料的一面做用不导电物质绝缘化。如图1所示，将绝缘面和金属材料固定在一起，这就组成一个压力发电部件，压力发电部件两两相连，中间用一个金属导电材料用限位器，使压电材料平时不接触，只有在有压力造成限位器形变，压力材料相接触就会产生正电荷，此时压电材料是正极，金属材料是负极。把这样的结构称为一个人体动能供电单元。人体动能供电单元输出电压波动性较大，需要外接稳压电路滤波。稳压电路在输入电压、负载、环境温度、电路参数等发生变化时仍能保持输出电压恒定。可以采用的稳压电路方案有电子型稳压、机电型稳压和自动稳压。将压力发电单元的输出电流通过稳压电路滤波后，就可以为充电电池充电了，也可以直接为低能耗电子设备供电。此结构的压力发电单元，厚度可以控制在5毫米以内，可以嵌入到鞋子等其他厚度较薄的物体中。

性能数据：直径30mm，高度5mm的人体动能供电单元，工作温度在零下25度至85度之间，每公斤压力约产生100微焦的能量，使用寿命在加压1000万次以上。

体重60公斤的成年人按一秒两步的速度步行1分钟，通过该电力系统，约能产生6mwh的能量，我们所选用的传感器功耗约为800μw，亦即成年人步行一分钟，即可持续使用8分钟左右。如果是慢跑，产生能量效率约为步行的3倍，亦即成年人慢跑一分钟，即可持续使用24分钟左右。按照一天穿戴8小时计算，成年人慢跑20分钟或者步行一小时即可完成相应的供电量。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的鞋体里面还设置有鞋垫7，所述的用电负载设置在所述的鞋垫里面并通过导电触点与所述的充电电池连接。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的用电负载包括传输设备和/或传感器和/或定位设备。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的传输设备包括低功耗蓝牙模块、Wifi模块、ZigBee模块、GSM模块、GPRS模块、3G模块、4G模块、射频模块中的至少一种。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的传感器包括加速度传感器、压力传感器、心跳传感器、血压传感器、血糖传感器、体液分析传感器中的至少一种。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的定位设备包括GPS模块，A-GPS模块中的至少一种。

将以上的传感器、模块混合搭配，可以针对不同领域实现丰富功能，其中的一些例子有：

内嵌加速度传感器、压力传感器和低功耗蓝牙，主要用于运动领域，功能有计步、测速、测距、运动姿势分析和指导、运动损伤预警等。

内嵌高精度冲击传感器和低功耗蓝牙，主要用于医疗健康领域，功能是实时监控和记录人体心电图，并在心跳异常时发出预警。

内嵌非接触血压和血糖传感器和低功耗蓝牙，主要用于医疗健康领域，功能是实时监控血压和血糖指标。

内嵌定位模块和网络模块，主要用于安全领域，可以用于老年人、儿童等易失联人群的位置查找，降低走失发生率。

内嵌多层压力传感器和蓝牙或ZigBee模块，可以用于游戏领域或智能家居控制领域；

内嵌9轴传感器、高精度压力传感器等，可以用于专业运动员数据采集领域。

如果嵌入到鞋子中的电子设备或传感器的能耗较大，超过人体动能发电的功率，采用定时启动、定时关闭的方案解决供电问题：

首先将人体动能发的电储存在电池中，然后根据传感器的功率和实际业务的不同，每隔若干分钟或若干小时启动一次传感器，传感器采集一段时间的数据后再关闭，使得大功率传感器既能正常使用还不需要充电，仅靠人体动能供电即可。

所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，所述的鞋体上设置有与所述的充电电池连接的扩展接口8。

例如：将一个压力发电单元（PZT陶瓷材料）外接稳压电路，转化电路制备成一个微型发电机。60kg 的重量通过频率1m/s 的速度行走1分钟，可以产生6mwh的电量，该电量充入电池容量为100mAh的锂电池， 为功率为8uw的心跳传感器和蓝牙模块供电，可持续用电8分钟，当速度为3m/s时，可持续用电24分钟。安装在鞋子中，组成了一个利用人体运动的动能供电的心跳监测设备。它监控人体心跳情况，绘制心电图，结合运动量变化对健身计划提供建议；同时也可以为轻度心脏病人提供一个辅助监控手段，当心电图异常时发出预警。

本发明方案所公开的技术手段不仅限于上述技术手段所公开的技术手段，还包括由以上技术特征等同替换所组成的技术方案。本发明的未尽事宜，属于本领域技术人员的公知常识。

Claims (9)

1.一种基于压电材料的人体动能供电智能鞋，包括鞋体，其特征是：所述的鞋体的底部嵌入压电发电单元，所述的压电发电单元通过稳压滤波器连接充电电池，所述的充电电池连接用电负载。

2.根据权利要求1所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的压电发电单元包括两个压电材料体，每个所述的压电材料体底部设置有绝缘垫，两个所述的压电材料体上部设置有导电体，所述的导电体在没有外部压力的情况下与所述的压电材料体之间具有间隙并能在外部压力的作用下与苏搜狐的压电材料体之间接触。

3.根据权利要求1所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的鞋体里面还设置有鞋垫，所述的用电负载设置在所述的鞋垫里面并通过导电触点与所述的充电电池连接。

4.根据权利要求2所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的鞋体里面还设置有鞋垫，所述的用电负载设置在所述的鞋垫里面并通过导电触点与所述的充电电池连接。

5.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的用电负载包括传输设备和/或传感器和/或定位设备。

6.根据权利要求5所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的传输设备包括低功耗蓝牙模块、Wifi模块、ZigBee模块、GSM模块、GPRS模块、3G模块、4G模块、射频模块中的至少一种。

7.根据权利要求5所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的传感器包括加速度传感器、压力传感器、心跳传感器、血压传感器、血糖传感器、体液分析传感器中的至少一种。

8.根据权利要求5所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的定位设备包括GPS模块，A-GPS模块中的至少一种。

9.根据权利要求1或2或3或4所述的基于压电材料的人体动能供电智能鞋，其特征是：所述的鞋体上设置有与所述的充电电池连接的扩展接口。