本發(fā)明涉及一種發(fā)電鞋，尤其是涉及一種智能發(fā)電鞋。

背景技術(shù)：

在人們進(jìn)行室外活動(dòng)時(shí)，常存在尋找電源或者移動(dòng)電源容量不足的問題。隨著人們生活水平的提高，各種智能設(shè)備或新型的傳感裝置不斷出現(xiàn)在人們的日常生活中。并且人們考慮將更多科技元素植入可穿戴設(shè)備，將科技改變生活的理念付諸行動(dòng)。

“發(fā)電鞋”的核心在于發(fā)電裝置的設(shè)計(jì)。經(jīng)對(duì)現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn)的檢索發(fā)現(xiàn)，謝卓輝，黃守道等人于2000年6月在“電機(jī)電器技術(shù)”發(fā)表論文“一種新型微電機(jī)的原理、結(jié)構(gòu)與應(yīng)用”提出了一種微型發(fā)電裝置，不僅需要有大量電感線圈，還要配備微型發(fā)電機(jī)等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，難以推廣。

陳振圳等人于2014年9月申請(qǐng)的發(fā)明專利“一種利用流動(dòng)液體發(fā)電的走路發(fā)電鞋”提出了在走路時(shí)的液體流動(dòng)帶動(dòng)微型發(fā)電機(jī)的葉輪旋轉(zhuǎn)發(fā)電裝置，存在發(fā)電效率低、發(fā)電裝置使用壽命短、成本高的問題，不利于市場(chǎng)推廣。

LIU,Y.等人于2016年在“Magnetics,IEEE Transactions”發(fā)表論文“Design andAnalysis of a Shoe-embeded Power Harvester Based on Magnetic Gear”提出的永磁發(fā)電裝置發(fā)電裝置，利用電磁發(fā)電技術(shù)，存在噪音、電磁干擾、安全隱患，功能單一等問題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的就是為了克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷而提供一種智能發(fā)電鞋，具有儲(chǔ)能效率高、結(jié)構(gòu)輕便、穿著舒適、功能多樣等優(yōu)點(diǎn)。

本發(fā)明的目的可以通過以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)：

一種智能發(fā)電鞋，包括鞋本體，所述鞋本體的鞋后掌處沿鞋底長(zhǎng)度方向依次設(shè)有第一空腔和第二空腔，所述第一空腔內(nèi)設(shè)有相連接的電能變換及儲(chǔ)能電路和應(yīng)用控制電路，所述第二空腔內(nèi)設(shè)有電能發(fā)生機(jī)構(gòu)，所述電能發(fā)生機(jī)構(gòu)包括沿鞋底長(zhǎng)度方向依次的一壓電器件、一傳力塊、一受力塊、一傳力塊和一壓電器件，所述受力塊呈倒梯形狀，受力塊的頂面可觸及第二空腔的頂面，兩個(gè)傳力塊均設(shè)有與受力塊緊貼的斜面，以及與壓電器件緊貼的豎直面，受力塊與傳力塊之間設(shè)有滾珠，受力塊與第二空腔的底面之間設(shè)有彈簧，兩個(gè)壓電器件均連接電能變換及儲(chǔ)能電路。

所述受力塊的頂面設(shè)有氣囊。

所述第二空腔的頂面設(shè)有開口，所述氣囊覆蓋第二空腔的頂面，氣囊的邊緣處與第二空腔的側(cè)面之間留有間隙。

所述電能變換及儲(chǔ)能電路包括整流電路、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管和蓄電池，所述兩個(gè)壓電器件均連接整流電路，所述整流電路的正輸出端經(jīng)第一開關(guān)管連接蓄電池的一端，整流電路的負(fù)輸出端連接蓄電池的另一端，所述第二開關(guān)管和應(yīng)用控制電路串聯(lián)后并聯(lián)在蓄電池的兩端，所述第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均分別連接應(yīng)用控制電路。

所述蓄電池通過可拆式殼體設(shè)于第一空腔內(nèi)，所述可拆卸式殼體上設(shè)有分別連接蓄電池的LED燈和充電接口。

所述應(yīng)用控制電路包括主控制器以及分別連接主控制器的加速度傳感器和無(wú)線傳感器，所述主控制器分別通過SPWM控制器和電池電壓檢測(cè)器連接電能變換及儲(chǔ)能電路。

所述主控制器的工作方式包括三種，第一種工作方式為：主控制器獲取加速度傳感器采集的信息，并根據(jù)加速度傳感器采集的信息獲取用戶行走數(shù)據(jù)；

第二種工作方式為：主控制器通過電池電壓檢測(cè)器采集電能變換及儲(chǔ)能電路內(nèi)的儲(chǔ)能電壓值，判斷儲(chǔ)能電壓值是否大于設(shè)定值，若是，則中斷電能變換及儲(chǔ)能電路工作的充電模式，若否，則控制電能變換及儲(chǔ)能電路工作在充電模式，充電模式下，主控器利用SPWM控制器調(diào)節(jié)電能變換及儲(chǔ)能電路內(nèi)的整流輸出值；

第三種工作方式為：主控制器等待無(wú)線傳感器與移動(dòng)終端建立無(wú)線連接，在無(wú)線連接建立后，通過無(wú)線傳感器將主控制器獲取的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給移動(dòng)終端并顯示。

每個(gè)壓電器件均包括多個(gè)壓電片，每個(gè)壓電器件內(nèi)的多個(gè)壓電片沿鞋底寬度方向依次設(shè)置。

所述第一空腔位于鞋后掌的足弓部，所述第二空腔位于鞋后掌的鞋跟部。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：

1)本發(fā)明基于壓電器件設(shè)計(jì)了電能發(fā)生機(jī)構(gòu)，當(dāng)人在走路時(shí)，腳后跟會(huì)給受力塊一個(gè)作用力，氣囊起到緩沖腳底應(yīng)力作用，然后這個(gè)受力塊會(huì)通過傳力塊將其水平傳遞給壓電片，受力塊的倒梯形結(jié)構(gòu)將作用在壓電片上的力放大，從而對(duì)稱的兩個(gè)壓電器件同時(shí)產(chǎn)生電能，相比現(xiàn)有技術(shù)，可以發(fā)電效率更高，且合理利用鞋后跟的空間，對(duì)鞋本體的外觀不會(huì)造成影響，同時(shí)為了使得受力塊可以順利反彈上去，特地加了滾珠和彈簧，滾珠可以減小傳力塊與受力塊之間的摩擦，而彈簧可以給受力塊一個(gè)向上的反彈力，使得受力塊可以順利恢復(fù)到原位置，底座材料均為聚酯纖維，重量較小，使得整個(gè)鞋本體輕便，且剛性較強(qiáng)。

2)本發(fā)明設(shè)計(jì)的氣囊覆蓋第二空腔的頂面，氣囊的邊緣處與第二空腔的側(cè)面之間留有間隙，既保證氣囊可以向受力塊傳遞整個(gè)腳后跟的作用力，還可以利用間隙排出壓縮的空氣，防止第二腔體在長(zhǎng)期空氣壓縮的作用下而產(chǎn)生變形。

3)本發(fā)明采用壓電器件作為壓電發(fā)電元件，將應(yīng)力引發(fā)的形變轉(zhuǎn)化成電荷能產(chǎn)生電流和電壓，系統(tǒng)不會(huì)發(fā)熱，也不會(huì)產(chǎn)生電磁干擾，具有壓電發(fā)電效率高、體積小，成本低使用、壽命長(zhǎng)的優(yōu)點(diǎn)。

4)本發(fā)明設(shè)計(jì)的電能變換及存儲(chǔ)電路能夠?qū)⒉▌?dòng)的電能變換成穩(wěn)定的電能存儲(chǔ)，解決常規(guī)發(fā)電效率低下的問題，同時(shí)第一開關(guān)管和第二開關(guān)管形成雙向充放電開關(guān)，能夠?qū)崿F(xiàn)能量的雙向流動(dòng)，有效地實(shí)現(xiàn)蓄電池的充放電模式切換，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、穩(wěn)定性能高的優(yōu)點(diǎn)。

5)本發(fā)明設(shè)計(jì)的應(yīng)用控制電路能夠?qū)o(wú)線傳感器、三軸加速度傳感器置于鞋底中，解決常規(guī)發(fā)電鞋功能單一的問題，具有低功耗、功能多樣的優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足各類不同用戶的功能體驗(yàn)。

6)本發(fā)明設(shè)計(jì)了可拆卸式殼體，可以將蓄電池可以方便從鞋子內(nèi)部取出，及時(shí)為手機(jī)、IPAD等便攜設(shè)備補(bǔ)充應(yīng)急電能并且配置LED燈用作室外照明。

7)本發(fā)明中將電路部分的第一空腔設(shè)置在足弓部，減小對(duì)電路部分的擠壓力，可以有效地保證電路部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定。

附圖說明

圖1為本發(fā)明發(fā)電鞋的整體結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為第一空腔和第二空腔內(nèi)部的布設(shè)示意圖；

圖3為電能發(fā)生機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為電能變換及儲(chǔ)能電路的電路圖；

圖5為應(yīng)用控制電路的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖6為本發(fā)明工作流程示意圖。

圖中：1、第一空腔，2、第二空腔，3、應(yīng)用控制電路，4、電能發(fā)生機(jī)構(gòu)，5、壓電器件，6、傳力塊，7、受力塊，8、滾珠，9、彈簧，10、氣囊，11、整流電路，12、蓄電池，13、主控制器，14、加速度傳感器，15、無(wú)線傳感器，16、集成電路板，17、可拆卸式殼體，18、LED燈，19、充電接口，20、數(shù)據(jù)線，21、手機(jī)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例對(duì)本發(fā)明進(jìn)行詳細(xì)說明。本實(shí)施例以本發(fā)明技術(shù)方案為前提進(jìn)行實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施例。

如圖1-3所示，一種智能發(fā)電鞋，包括鞋本體，鞋本體的鞋后掌處沿鞋底長(zhǎng)度方向依次設(shè)有第一空腔1和第二空腔2，第一空腔1內(nèi)設(shè)有相連接的電能變換及儲(chǔ)能電路和應(yīng)用控制電路3，第二空腔2內(nèi)設(shè)有電能發(fā)生機(jī)構(gòu)4，電能發(fā)生機(jī)構(gòu)4包括沿鞋底長(zhǎng)度方向依次的一壓電器件5、一傳力塊6、一受力塊7、一傳力塊6和一壓電器件5，受力塊7呈倒梯形狀，受力塊7的頂面可觸及第二空腔2的頂面，兩個(gè)傳力塊6均設(shè)有與受力塊7緊貼且相平行的斜面，以及與壓電器件5緊貼的豎直面，受力塊7與傳力塊6之間設(shè)有滾珠8，受力塊7與第二空腔2的底面之間設(shè)有彈簧9，兩個(gè)壓電器件5均連接電能變換及儲(chǔ)能電路。

每個(gè)壓電器件5均包括多個(gè)壓電片，每個(gè)壓電器件5內(nèi)的多個(gè)壓電片沿鞋底寬度方向依次設(shè)置。當(dāng)人在走路時(shí)，腳后跟會(huì)給受力塊7一個(gè)作用力，氣囊10起到緩沖腳底應(yīng)力作用，然后這個(gè)受力塊7會(huì)通過傳力塊6將其水平傳遞給壓電器件5，通過采用的倒梯形結(jié)構(gòu)，將作用在壓電片上的力放大，從而對(duì)稱的兩個(gè)壓電器件5同時(shí)產(chǎn)生電能，滾珠8可以減小傳力塊6與受力塊7之間的摩擦，而彈簧9可以給受力塊7一個(gè)向上的反彈力，使得受力塊7可以順利恢復(fù)到原位置。本實(shí)施例中，采用8個(gè)壓電陶瓷片并聯(lián)的結(jié)構(gòu)，以輸出較大的電流。

如圖3所示，受力塊7的頂面設(shè)有氣囊10，第二空腔2的頂面設(shè)有開口，氣囊10覆蓋第二空腔2的頂面，氣囊10的邊緣處與第二空腔2的側(cè)面之間留有間隙，且第二空腔2的側(cè)面頂邊呈波浪形，可增加受力塊7回復(fù)到原位的彈力且可以留有有助于排氣防止變形的間隙。第二空腔2采用高強(qiáng)度聚酯纖維制作而成，重量較小。

如圖4所示，電能變換及儲(chǔ)能電路包括整流電路11、第一開關(guān)管、第二開關(guān)管和蓄電池12，兩個(gè)壓電器件5均連接整流電路11，整流電路11的正輸出端經(jīng)第一開關(guān)管連接蓄電池12的一端，整流電路11的負(fù)輸出端連接蓄電池12的另一端，第二開關(guān)管和應(yīng)用控制電路3串聯(lián)后并聯(lián)在蓄電池12的兩端，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均分別連接應(yīng)用控制電路3。本實(shí)施例中，第一開關(guān)管和第二開關(guān)管均采用IGBT，分別用G1、G2表示，工作時(shí)G1和G2不允許同時(shí)導(dǎo)通，正向工作(由左向右)的時(shí)候G2總是處于截止?fàn)顟B(tài)，蓄電池12存儲(chǔ)電能；反向工作(由右向左)的時(shí)候G1總是處于截止?fàn)顟B(tài)，蓄電池12釋放電能為應(yīng)用控制電路3提供電能供應(yīng)，還可以為手機(jī)21充電，整流電路11采用由開關(guān)器件VD1-VD4構(gòu)成的整流橋，電容C1、C2和電感L起濾波的作用。

如圖5所示，應(yīng)用控制電路3包括主控制器13以及分別連接主控制器13的加速度傳感器14和無(wú)線傳感器15，主控制器13通過SPWM控制器分別連接第一開關(guān)管和第二開關(guān)管，輸出SPWM控制脈沖，實(shí)現(xiàn)DC-DC雙向充放電的SPWM控制，同時(shí)通過電池電壓檢測(cè)器連接蓄電池12，實(shí)現(xiàn)蓄電池12電壓的檢測(cè)。

本實(shí)施例中，主控制器13采用TI公司生產(chǎn)的MSP430控制芯片，其功耗極低而且片內(nèi)資源和外部接口豐富，IGBT采用三菱公司生產(chǎn)的CT 30SM-12型號(hào)開關(guān)管，蓄電池12采用Sony公司生產(chǎn)的微型鋰離子電池，加速度傳感器14采用ADXL362芯片，無(wú)線傳感器15采用藍(lán)牙傳感器，藍(lán)牙傳感器采用Dialog的藍(lán)牙超低功耗SmartBond SoC(片上系統(tǒng)芯片)藍(lán)牙串口模塊，為軟件愛好者提供二次應(yīng)用開發(fā)的接口，并且能夠?qū)崿F(xiàn)與手機(jī)21間的通信，ADXL362芯片通過SPI將數(shù)據(jù)信息傳遞至MSP430控制芯片，由MSP430控制芯片計(jì)算處理后通過藍(lán)牙傳感器傳遞給手機(jī)21，在手機(jī)21的APP端可以查看自己每天行走的步數(shù)，顯示行走發(fā)的電量以及剩余電量信息等電池充放電狀態(tài)，手機(jī)21的APP端可以由軟件愛好者進(jìn)行二次應(yīng)用開發(fā)。

如圖1、圖2所示，第一空腔1位于鞋后掌的足弓部，既可以有效地利用足弓彎曲形成的空間又可以減小人體重力對(duì)電路部分結(jié)構(gòu)的擠壓，保證電路部分結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，第二空腔2位于鞋后掌的鞋跟內(nèi)部，可以將人體行走產(chǎn)生的最大作用力回收，用于壓電陶瓷的發(fā)電，圖2中，蓄電池12通過可拆式殼體設(shè)于第一空腔1內(nèi)，可拆卸式殼體17上設(shè)有分別連接蓄電池12的LED燈18和充電接口19，充電接口19連接數(shù)據(jù)線20可實(shí)現(xiàn)手機(jī)21等移動(dòng)設(shè)備的應(yīng)急充電，LED燈18可用作室外照明，電能變換及儲(chǔ)能電路中除蓄電池12以外的電路結(jié)構(gòu)以及應(yīng)用控制電路3的電路結(jié)構(gòu)集成在集成電路板16上，該集成電路板16與電能發(fā)生機(jī)構(gòu)4之間的連接采用柔性電線連接，有利于緩和足弓部與后跟部之間的連接，該集成電路板16與蓄電池12之間的連接采用卡扣式連接，便于拆卸。

如圖6所示，主控制器13的工作方式包括三種：

第一種工作方式為：主控制器13獲取加速度傳感器14采集的信息，并根據(jù)加速度傳感器14采集的信息獲取用戶行走數(shù)據(jù)，例如行走步數(shù)；

第二種工作方式為：主控制器13通過電池電壓檢測(cè)器采集電能變換及儲(chǔ)能電路內(nèi)的儲(chǔ)能電壓值，判斷儲(chǔ)能電壓值是否大于設(shè)定值(是否過壓)，若是，則中斷電能變換及儲(chǔ)能電路工作的充電(整流)模式，若否，則控制電能變換及儲(chǔ)能電路工作在充電模式，充電模式下，主控器利用SPWM(Sinusoidal PWM)控制器改變控制脈沖的占空比，調(diào)節(jié)電能變換及儲(chǔ)能電路內(nèi)的整流輸出值；

第三種工作方式為：主控制器13接收用戶行走數(shù)據(jù)和電池狀態(tài)信息，工作在藍(lán)牙等待連接命令的狀態(tài)，當(dāng)藍(lán)牙與手機(jī)21連接成功時(shí)，藍(lán)牙主動(dòng)發(fā)送連接成功信號(hào)，則可以通過藍(lán)牙將主控制器13獲取的數(shù)據(jù)無(wú)線傳輸給手機(jī)21并顯示。

本實(shí)施例中，應(yīng)用控制電路3內(nèi)還設(shè)有備用輔助電源，該備用輔助電源用于提供應(yīng)用控制電路3在待機(jī)狀態(tài)下的供電，也連接蓄電池12，主控制器13定時(shí)查詢加速度傳感器14的采集數(shù)據(jù)，當(dāng)加速度傳感器14在設(shè)定時(shí)間內(nèi)采集的數(shù)據(jù)呈有規(guī)律的波紋狀時(shí)，則主控制器13激活整個(gè)應(yīng)用控制電路3，進(jìn)而控制電能變換及儲(chǔ)能電路開始充電，若加速度傳感器14采集的數(shù)據(jù)在設(shè)定時(shí)間內(nèi)呈平緩直線狀時(shí)，該平緩直線狀是指振動(dòng)幅值小于預(yù)設(shè)值，則主控制器13控制整個(gè)裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，當(dāng)蓄電池12被拆卸下來(lái)時(shí)，主控制器13也控制整個(gè)裝置進(jìn)入待機(jī)狀態(tài)，等待蓄電池12重裝。