CN111165993A - 一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋 - Google Patents

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武东辉
方超群
王干一
赵婉婉
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    • A43B—CHARACTERISTIC FEATURES OF FOOTWEAR; PARTS OF FOOTWEAR
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  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
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Abstract

本发明公开了一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，包括鞋子本体，所述鞋子本体的底端安装有脚尖压电陶瓷和数据采集单元、PCB板和脚跟压电陶瓷和数据采集单元，鞋子本体的鞋面上安装有USB接口模块。本基于压电陶瓷的自发电智能鞋，压电陶瓷发电模块产生的电能通过信号调理模块处理后为中央处理模块、人体监测模块、预警模块以及无线通信模块供电，并将多余的电能存储在储能电路的充电锂电池中，人体监测模块检测到的动作是信息传输给中央处理模块进行处理，并将处理后得到的信息通过无线通信模块传输给手机终端，以实时监测运动状态；整体发电效率高，可实时监测运动状态。

Description

一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋
技术领域
本发明涉及智能器技术领域，具体为一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋。
背景技术
随着人们生活水平的提高，人们越来越重视自己的身体健康，因此，户外锻炼越来越为广大人民所喜爱。然而，现阶段，人们的锻炼是盲目的，缺乏指导的，锻炼效果不佳。
近年来，智能器件深受人们的欢迎，例如功能丰富的智能手环和智能跑鞋等，通过内置的高精度加速度传感器检测人手/脚的晃动，从而判断人体的位移进而估算用户的步速、步数、心率等信息。这种方法通过采集储存用户当天的活动数据，在一定程度上计算出了人们的活动状态和相关的活动量，为人们的生活提供了一定的运动指导。
然而，现有的技术还不够完善，仍然存在着以下不足：
1：智能鞋的电量消耗完后，智能鞋就失去了智能，无法及时更换电池，则影响了智能的体验；
2：当前的智能鞋仅对人们的运动信息进行了检测，而人们的定位信息仍然需要依靠GPS等卫星定位系统，无法为卫星覆盖信号不佳地区如山区等区域中，运动迷失路线的用户提供有效的导航；
对于不经常运动或参与跑步的用户，在无人指导的情况下，不正确的运动姿态或超强度的运动很容易造成人体膝关节、踝关节等的损伤，进而影响运动者的身体健康，基于此，提出一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，具有发电效率高，可实时监测运动状态的优点，解决了现有技术中的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，包括鞋子本体，所述鞋子本体的底端安装有脚尖压电陶瓷和数据采集单元、PCB板和脚跟压电陶瓷和数据采集单元，鞋子本体的鞋面上安装有USB接口模块；所述鞋子本体的鞋底从下至上依次加装有中间介质下部压电陶瓷加装片、鞋体中间介质中部压电陶瓷加装片和鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片，中间介质下部压电陶瓷加装片上加装有鞋体中间介质下部压电陶瓷，鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片上加装有鞋体中间介质；所述鞋子本体上加加装有PCB板，PCB板上集成有压电陶瓷发电模块、稳压管、储能电路、信号调理模块、电源管理模块、中央处理模块、人体监测模块、预警模块、无线通信模块，压电陶瓷发电模块与信号调理模块电连接，信号调理模块与稳压管电连接，稳压管与储能电路电连接；所述储能电路与电源管理模块电连接，电源管理模块与中央处理模块电连接，人体监测模块、预警模块、无线通信模块和USB接口模块均与中央处理模块电连接，无线通信模块与手机终端通信。
优选的，所述脚尖压电陶瓷和数据采集单元和脚跟压电陶瓷和数据采集单元的压电陶瓷按压点位于鞋体软介质平面上下两侧。
优选的，所述储能电路采用储电的锂电池以及与锂电池相连的防过冲模块。
优选的，所述信号调理模块包括降压升压电路及整流电路，降压升压电路为自适应电路。
优选的，所述人体监测模块包括了压力检测单元、三轴加速度、陀螺仪单元、磁力计模块及卫星定位模块，卫星定位模块包括GPS或北斗选择模块。
优选的，所述PCB板位于鞋子本体鞋底的中心位置，并采用单组份室温硫化胶粘结剂进行固化。
优选的，所述无线通信模块采用WIFI和蓝牙模块。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
本基于压电陶瓷的自发电智能鞋，人体运动使压电陶瓷受压，压电陶瓷发电模块产生电能，鞋体中间介质下部压电陶瓷和鞋体中间介质呈倾斜状态，形变加剧，极大提升了发电效率，压电陶瓷发电模块产生的电能通过信号调理模块处理后为中央处理模块、人体监测模块、预警模块以及无线通信模块供电，并将多余的电能存储在储能电路的充电锂电池中，人体监测模块检测到的动作是信息传输给中央处理模块进行处理，并将处理后得到的信息通过无线通信模块传输给手机终端，以实时监测运动状态；整体发电效率高，可实时监测运动状态。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的鞋底俯视图；
图3为本发明的按压点的层结构示意图；
图4为本发明的压电陶瓷分布图；
图5为本发明的电路结构示意框图；
图6为本发明的无线通信模块工作电路图。
图中：1、鞋子本体；2、脚尖压电陶瓷和数据采集单元；3、PCB板；4、脚跟压电陶瓷和数据采集单元；5、USB接口模块；6、中间介质下部压电陶瓷加装片；7、鞋体中间介质中部压电陶瓷加装片；8、鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片；9、鞋体中间介质下部压电陶瓷；10、鞋体中间介质；11、压电陶瓷发电模块；12、稳压管；13、储能电路；14、信号调理模块；15、电源管理模块；16、中央处理模块；17、人体监测模块；18、预警模块；19、无线通信模块。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-6，一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，包括鞋子本体1，鞋子本体1的底端安装有脚尖压电陶瓷和数据采集单元2、PCB板3和脚跟压电陶瓷和数据采集单元4，脚尖压电陶瓷和数据采集单元2和脚跟压电陶瓷和数据采集单元4的压电陶瓷按压点位于鞋体软介质平面上下两侧，PCB板3位于鞋子本体1鞋底的中心位置，并采用单组份室温硫化胶粘结剂进行固化，鞋子本体1的鞋面上安装有USB接口模块5；鞋子本体1的鞋底从下至上依次加装有中间介质下部压电陶瓷加装片6、鞋体中间介质中部压电陶瓷加装片7和鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片8，中间介质下部压电陶瓷加装片6上加装有鞋体中间介质下部压电陶瓷9，鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片8上加装有鞋体中间介质10；鞋子本体1上加加装有PCB板3，PCB板3上集成有压电陶瓷发电模块11、稳压管12、储能电路13、信号调理模块14、电源管理模块15、中央处理模块16、人体监测模块17、预警模块18、无线通信模块19，压电陶瓷发电模块11与信号调理模块14电连接，信号调理模块14包括降压升压电路及整流电路，降压升压电路为自适应电路，信号调理模块14与稳压管12电连接，稳压管12与储能电路13电连接.储能电路13采用储电的锂电池以及与锂电池相连的防过冲模块；储能电路13与电源管理模块15电连接，电源管理模块15与中央处理模块16电连接，人体监测模块17、预警模块18、无线通信模块19和USB接口模块5均与中央处理模块16电连接，其中人体监测模块17包括了压力检测单元、三轴加速度、陀螺仪单元、磁力计模块及卫星定位模块，卫星定位模块包括GPS或北斗选择模块，无线通信模块19与手机终端通信，无线通信模块19采用WIFI和蓝牙模块，通过无线通信模块19将采集到的数据传输到手机终端。
该基于压电陶瓷的自发电智能鞋，压电陶瓷可以实现机械能向电能的转换，通过对压电陶瓷施加机械应力，材料内部发生极化现象，进而导致电子和正电荷分别向材料两表面聚集，将压电陶瓷接入负载回路当中，回路中流过电流。当对压电陶瓷施加以周期的应力，则会产生周期电信号。电信号的幅值随着施加应力的增大而增大。当人们在运动时，尤其是行走过程中，会对鞋底施加周期性变化的应力，人在运动中会产生加速度、加速度和对鞋底施加的压力信息，将压电陶瓷放置于鞋底，利用人体运动产生对鞋底压电陶瓷施加的周期变化应力产生周期变化的电能为人体监测模块17提供电能，并将多余电能储存；利用人体运动产生的加速度、角速度和压力信息监测人体动作，对不正确动作进行预警；记录人体行进轨迹，提供迷途导航，具体原理如下：压电陶瓷分布于鞋体中间介质10两侧，通过脚步运动挤压按压点，导致压电陶瓷挤压变形产生电能，人体在行进过程中由多个步态周期组成，步态周期是人体在行走过程中身体一侧足跟着地至该侧足跟再次着地时所经过的时间，一个步态周期由支撑期和迈步期两个阶段组成，其中支撑期大约占步态周期的60％；迈步期约占其中的40％。压电陶瓷分布与所述鞋底中间介质两侧交错分布，水平投影不重叠，在当人在行进中脚尖触地、脚尖离地、脚跟触地和脚跟离地时，脚尖和脚跟对压电陶瓷分布处施加压力，促使所述鞋底中间介质两侧鞋体中间介质下部压电陶瓷9和鞋体中间介质10呈倾斜状态，形变加剧，相较于单一侧放置压电陶瓷，压电陶瓷发电效率得以极大提升，若未采用压电陶瓷在按压点交错排布结构，单纯的依靠脚尖或脚跟着地对鞋体中间介质下部压电陶瓷9和鞋体中间介质10造成形变，大部分冲击力将会被提供鞋底的柔软层缓冲掉，即使直接对鞋体中间介质下部压电陶瓷9和鞋体中间介质10施压，压电陶瓷由于形变所产生的电量也是很有限，即使多层叠加效果也并不会发生明显改善；压电陶瓷发电模块11产生的电能通过信号调理模块14处理后为中央处理模块16、人体监测模块17、预警模块18以及无线通信模块19供电，并将多余的电能存储在储能电路13的充电锂电池中，人体监测模块17检测到的动作是信息传输给中央处理模块16进行处理，并将处理后得到的信息通过无线通信模块19传输给手机终端，以实时监测运动状态。
综上所述：本基于压电陶瓷的自发电智能鞋，人体运动使压电陶瓷受压，压电陶瓷发电模块11产生电能，鞋体中间介质下部压电陶瓷9和鞋体中间介质10呈倾斜状态，形变加剧，极大提升了发电效率，压电陶瓷发电模块11产生的电能通过信号调理模块14处理后为中央处理模块16、人体监测模块17、预警模块18以及无线通信模块19供电，并将多余的电能存储在储能电路13的充电锂电池中，人体监测模块17检测到的动作是信息传输给中央处理模块16进行处理，并将处理后得到的信息通过无线通信模块19传输给手机终端，以实时监测运动状态；整体发电效率高，可实时监测运动状态。
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (7)

1.一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，包括鞋子本体(1)，其特征在于：所述鞋子本体(1)的底端安装有脚尖压电陶瓷和数据采集单元(2)、PCB板(3)和脚跟压电陶瓷和数据采集单元(4)，鞋子本体(1)的鞋面上安装有USB接口模块(5)；所述鞋子本体(1)的鞋底从下至上依次加装有中间介质下部压电陶瓷加装片(6)、鞋体中间介质中部压电陶瓷加装片(7)和鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片(8)，中间介质下部压电陶瓷加装片(6)上加装有鞋体中间介质下部压电陶瓷(9)，鞋体中间介质上部压电陶瓷加装片(8)上加装有鞋体中间介质(10)；所述鞋子本体(1)上加加装有PCB板(3)，PCB板(3)上集成有压电陶瓷发电模块(11)、稳压管(12)、储能电路(13)、信号调理模块(14)、电源管理模块(15)、中央处理模块(16)、人体监测模块(17)、预警模块(18)、无线通信模块(19)，压电陶瓷发电模块(11)与信号调理模块(14)电连接，信号调理模块(14)与稳压管(12)电连接，稳压管(12)与储能电路(13)电连接；所述储能电路(13)与电源管理模块(15)电连接，电源管理模块(15)与中央处理模块(16)电连接，人体监测模块(17)、预警模块(18)、无线通信模块(19)和USB接口模块(5)均与中央处理模块(16)电连接，无线通信模块(19)与手机终端通信。
2.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述脚尖压电陶瓷和数据采集单元(2)和脚跟压电陶瓷和数据采集单元(4)的压电陶瓷按压点位于鞋体软介质平面上下两侧。
3.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述储能电路(13)采用储电的锂电池以及与锂电池相连的防过冲模块。
4.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述信号调理模块(14)包括降压升压电路及整流电路，降压升压电路为自适应电路。
5.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述人体监测模块(17)包括了压力检测单元、三轴加速度、陀螺仪单元、磁力计模块及卫星定位模块，卫星定位模块包括GPS或北斗选择模块。
6.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述PCB板(3)位于鞋子本体(1)鞋底的中心位置，并采用单组份室温硫化胶粘结剂进行固化。
7.根据权利要求1所述的一种基于压电陶瓷的自发电智能鞋，其特征在于：所述无线通信模块(19)采用WIFI和蓝牙模块。
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