本發(fā)明專利涉及一種智能運動鞋，尤其涉及一種采用磁鐵和線圈進行振動能量采集的智能運動鞋。

背景技術：

簡單低能耗傳感器系統(tǒng)不斷引領著可穿戴系統(tǒng)的發(fā)展，人們希望能夠通過所穿運動鞋來檢測日常運動量，以及人走路時的速度和加速度等。然而其中檢測裝置的能量供給是一個亟待解決的問題。隨著科技的進步，能量采集技術為其能量供給提供了一種無需外部能源的方式。目前，研究人員通過研究人類步法，提出了多種集能方式。例如，利用人走路時運動鞋的搖擺和腳后跟與地面的碰擊設計的能量采集裝置。然而，隨著小型化低能耗的不斷發(fā)展，人們希望將能量采集裝置集成到運動鞋里面。

目前已有很多種類型吸收足部振動能量發(fā)電的運動鞋，一般可分為機械齒輪傳動式、壓電式和電磁式三種。公開號為CN102475371A的中國專利“發(fā)電鞋”利用人體踩踏時的位移推動壓力傳動裝置，轉(zhuǎn)換成齒輪的轉(zhuǎn)動，進而帶動發(fā)電裝置工作來產(chǎn)生電能；當足部抬起時，齒輪上的彈性元件會把裝置復位從而實現(xiàn)往復運動發(fā)電。但工作過程中齒輪和傳動裝置一直處于摩擦狀態(tài)，齒槽效應力矩較大，齒輪等裝置很容易損壞，且影響運動鞋的舒適性。其次是人體行走時足部的垂直方向位移較小，通過傳動裝置帶來齒輪轉(zhuǎn)動并不能充分利用人體的踩踏能量。公開號為CN2762591的中國專利“發(fā)電鞋”通過足部踩踏在氣囊上緩沖，將壓力傳遞給壓電材料，然后通過壓電效應來產(chǎn)生電能。但目前壓電材料強度較差，經(jīng)受反復沖擊的情況下非常容易損壞，降低沖擊力又會使發(fā)電效率降低，所以該發(fā)明對壓電材料要求較高。公開號為CN102334772A的中國專利“多功能磁力發(fā)電鞋”提出一種應用在足部的電磁式發(fā)電裝置，該裝置通過人體行走時的擠壓，使永磁鐵發(fā)生上下運動，從而使附近線圈內(nèi)的軟磁體不斷改變磁極來切割磁感線，形成磁力發(fā)電裝置。但該裝置由于足部垂直位移小，改變軟磁體磁極的效果并不明顯。目前還有一些研究人員設計了一種采用模塊化單元嵌入式的機械式能量采集裝置的智能鞋，這種結(jié)構(gòu)將永磁式發(fā)電結(jié)構(gòu)和電極感應式發(fā)電結(jié)構(gòu)結(jié)合為一體，采用軸向極性相對的永磁鐵排列方式以及導電液滴將相鄰兩永磁鐵隔開；此能量采集裝置通過電磁感應和電極感應來收集能量。但其尚存在局限性，由于發(fā)電裝置采用兩種的結(jié)合增加了其空間尺寸，并且采用永磁鐵排列方式為軸向不同極性相對，其單邊磁場效應相對較弱，磁能密度較低，而電磁感應主要就是依賴其單邊磁場，因此這種結(jié)構(gòu)導致永磁鐵磁場的利用率較低，發(fā)電效率低，降低了智能鞋的性能。同時模塊化單元嵌入式的機械式能量采集裝置的智能鞋中能量采集裝置的齒槽效應力矩較大,影響鞋子的舒適性。

基于此，有必要提出一種采用磁鐵和線圈進行振動能量采集的智能運動鞋，該智能運動鞋中的能量采集裝置采用高能密磁陣列磁鐵布置的永磁鐵組來增強智能運動鞋的單邊磁場效應，即增加磁能密度，實現(xiàn)對振動機械能的高效采集；同時配合使用四相線圈繞組設計，大大提高了發(fā)電效率和發(fā)電功率，也縮小了其空間尺寸；另外，高能密磁陣列布置的磁鐵組可以得到在空間按理想正弦分布的磁場，可大大減弱智能運動鞋中的能量采集裝置的齒槽效應力矩，提高智能運動鞋的舒適度。

技術實現(xiàn)要素：

為了克服背景技術所述智能運動鞋中的能量采集裝置體積大、磁能密度低、發(fā)電效率低的問題及滿足能量回收裝置的實際使用要求，本發(fā)明提供一種采用磁鐵和線圈進行振動能量采集的智能運動鞋。該智能運動鞋能量采集裝置通過兩個緊固片將4個不同極性方向的永磁鐵固定安裝在緊固銷上，形成高能密磁陣列永磁鐵組；纏繞在感應線圈繞線架上的感應線圈由4個獨立線圈組成；當有外部壓力時，管道內(nèi)的液流體就會受到壓力向某一方向來回流動，流動的流體推動永磁鐵組作往復直線運動；在磁場的作用下，纏繞在感應線圈繞線架上的感應線圈中將會產(chǎn)生交流電，通過整流電路將產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成單相直流電，從而可直接用于其他毫瓦級無線傳感器等設備供電；另外，轉(zhuǎn)換后的直流電也可儲存在儲能電路中，從而真正實現(xiàn)依靠人類運動的振動能量采集。本發(fā)明智能運動鞋將能量采集裝置內(nèi)置于運動鞋鞋底中，結(jié)構(gòu)簡單，空間利用合理；高能密磁陣列布置的磁鐵組可以得到按理想正弦分布的空間磁場，可大大減弱智能運動鞋中的能量采集裝置的齒槽效應力矩，提高智能運動鞋的舒適度；另外永磁鐵組布置成高能密磁陣列，可以有效提高永磁鐵組的磁場利用率，進而提高智能運動鞋能量采集效率和發(fā)電功率，滿足對內(nèi)置于運動鞋內(nèi)的能量采集裝置的空間尺寸和能量采集的要求。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案包括：連接頭I(1)、能量采集裝置(2)、連接頭II(3)、液流體(14)、液力彈簧(15)、回復式吸振驅(qū)動器I(101)、連接頭III(102)、管道I(103)、彈性線I(104)、彈性線II(105)、管道II(106)、連接頭IV(107)、回復式吸振驅(qū)動器II(108)、智能運動鞋(109)；回復式吸振驅(qū)動器I(101)安裝在智能運動鞋(109)的后腳跟，回復式吸振驅(qū)動器II(108)安裝在智能運動鞋(109)的前腳掌；回復式吸振驅(qū)動器I(101)外表面和回復式吸振驅(qū)動器II(108)外表面分別安裝有液力彈簧(15)；回復式吸振驅(qū)動器I(101)前端面底部水平方向加工有螺紋孔，并與連接頭III(102)的一端螺紋連接；連接頭III(102)的另一端與管道I(103)的一端固定連接；管道I(103)的另一端與連接頭I(1)固定連接；能量采集裝置(2)兩端分別加工有外螺紋，連接頭I(1)和連接頭II(3)分別與能量采集裝置(2)螺紋固定連接；回復式吸振驅(qū)動器II(108)的后端面底部水平方向加工有螺紋孔，并與連接頭IV(107)的一端螺紋連接；連接頭IV(107)的另一端與管道II(106)的一端固定連接；管道II(106)的另一端與連接頭II(3)固定連接；所述能量采集裝置(2)由外套筒(4)、感應線圈(5)、感應線圈繞線架(6)、永磁鐵組(7)、螺釘I(8)、緊固片I(9)、緊固銷(10)、緊固片II(11)、螺釘II(12)及方形安裝盒(13)組成；緊固銷(10)的上下端部分別加工有外螺紋，緊固片I(9)和緊固片II(11)分別加工有螺紋通孔，緊固片II(11)與緊固銷(10)下端部通過螺紋固定連接；永磁鐵組(7)由永磁鐵I、永磁鐵II、永磁鐵III、永磁鐵IV4個不同極性的永磁鐵組成；4個永磁鐵中間分別加工有圓形通孔，永磁鐵組(7)圓形通孔的內(nèi)表面與緊固銷(10)的外表面過渡配合；永磁鐵組(7)按序安裝在緊固銷(10)上，并通過緊固片I(9)軸向固定；其中，永磁鐵(IV)下端面和緊固片II(11)上端面緊密結(jié)合，永磁鐵(III)的下端面與永磁鐵(IV)上端面緊密結(jié)合，永磁鐵(II)的下端面與永磁鐵(III)的上端面緊密結(jié)合，永磁鐵(I)的下端面與永磁鐵(II)的上端面緊密結(jié)合；感應線圈繞線架(6)中間加工有圓形通孔，感應線圈繞線架(6)圓形通孔內(nèi)表面分別與永磁鐵組(7)外表面、緊固片I(9)和緊固片II(11)外表面間隙配合；感應線圈繞線架(6)外表面加工有4個繞線槽，感應線圈(5)由4個獨立線圈組成，分別纏繞于感應線圈繞線架(6)繞線槽內(nèi)；4個獨立線圈引線A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄、B₄分別從繞線槽①、②、③、④引出，進入感應線圈繞線架(6)的上端部引線槽，由外套筒(4)上的引線孔引出；感應線圈(5)采用四相繞組結(jié)構(gòu)設計，可有效增加感應線圈(5)發(fā)電功率，提高智能運動鞋(109)發(fā)電效率；感應線圈繞線架(6)和外套筒(4)下端部分別加工有臺階，兩者軸向固定；感應線圈繞線架(6)兩端加工有外螺紋，可分別與連接頭I(1)和連接頭II(3)螺紋連接；方形安裝盒(13)水平安置于鞋底內(nèi)，且開口朝鞋子上部，用于軸向固定感應線圈繞線架(6)和外套筒(4)；緊固銷(10)的兩端部軸向分別加工有螺紋孔，并分別與螺釘I(8)和螺釘II(12)固定連接；所述螺釘I(8)和螺釘II(12)的頂部分別加工有耳環(huán)，螺釘I(8)上的耳環(huán)與彈性線II(105)固定連接；彈性線II(105)依次穿過管道II(106)和連接頭IV(107)，并與回復式吸振驅(qū)動器II(108)固定連接；螺釘II(12)上的耳環(huán)與彈性線I(104)固定連接，彈性線I(104)依次穿過管道I(103)和連接頭III(102)，并與回復式吸振驅(qū)動器I(101)固定連接；所述能量采集裝置(2)中的永磁鐵組(7)采用高能密磁陣列布置方式，可使永磁鐵組(7)產(chǎn)生高密度磁力線；磁力線走向分為三部分，首先，永磁鐵I的N極進入感應線圈繞線架(6)和感應線圈(5)，到達外套筒(4)，再通過感應線圈繞線架(6)進入永磁鐵緊固片I(9)，最后回到永磁鐵I的S極，形成閉合磁路；其次，永磁鐵III的N極與永磁鐵II的S極相接，永磁鐵II的N極與永磁鐵I的S極相接，永磁鐵I的N極進入感應線圈繞線架(6)和感應線圈(5)，到達外套筒(4)，再通過感應線圈繞線架(6)返回到永磁鐵III的S極，形成閉合磁路；最后，永磁鐵III的N極與永磁鐵IV的S極相接，永磁鐵IV的N極進入永磁鐵緊固片II(11)，再進入感應線圈繞線架(6)和感應線圈(5)，到達外套筒(4)，然后通過感應線圈繞線架(6)返回到永磁鐵III的S極，形成閉合磁路；所述能量采集裝置(2)內(nèi)置高能密磁陣列布置的永磁鐵組(7)和感應線圈(5)，使智能運動鞋(109)能夠在人行走時對振動能量進行采集；人行走時后腳跟和前腳掌不同時著地，當后腳跟著地時，回復式吸振驅(qū)動器I(101)內(nèi)部的液流體(14)就會推動永磁鐵組(7)向前運動，永磁鐵組(7)與感應線圈繞線架(6)沿軸向做相對運動；當前腳掌著地時，回復式吸振驅(qū)動器II(108)內(nèi)部的液流體(14)就會推動永磁鐵組(7)向后運動，永磁鐵組(7)相對與感應線圈繞線架(6)沿軸向同樣做相對運動；在永磁鐵組(7)往復運動作用下，纏繞在感應線圈繞線架(6)中的感應線圈(5)切割磁感線，產(chǎn)生交流電，整流后可直接供電于一些毫瓦級無線傳感器等檢測裝置，同時轉(zhuǎn)換后的直流電也可儲存在儲能電路中?；貜褪轿耱?qū)動器II(108)、管道II(106)和能量采集裝置(2)圍成封閉容腔A；回復式吸振驅(qū)動器I(101)、管道I(103)和能量采集裝置(2)圍成封閉容腔B；封閉容腔A和B內(nèi)充滿液流體(14)；當有外部壓力時，封閉容腔A和B內(nèi)的液流體(14)就會分別推動永磁鐵組(7)沿軸向方向作往復直線運動。外套筒(4)、感應線圈(5)、永磁鐵組(7)、緊固片I(9)、緊固片II(11)分別由導磁材料制成，其余由不導磁材料制成，通過對能量采集裝置(2)零件材料的優(yōu)選配置，可以避免或減少常規(guī)漏磁，提高智能運動鞋的發(fā)電效率。

本發(fā)明技術與背景技術相比，具有的有益效果是：

（1）本發(fā)明能量采集裝置通過兩個緊固片將4個不同極性方向的永磁鐵固定安裝在緊固銷上，形成高能密磁陣列永磁鐵組，可以大幅提高永磁鐵的磁場利用率；纏繞在感應線圈繞線架上的感應線圈由4個獨立線圈組成，采用四相線圈繞組設計來提高發(fā)電效率和功率；當有外部壓力時，管道內(nèi)的液流體就會受到壓力向某一方向來回流動，流動的流體推動永磁鐵組作往復直線運動；在磁場的作用下，纏繞在感應線圈繞線架上的感應線圈中將會產(chǎn)生交流電，通過整流電路將產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成單相直流電，從而可直接用于其他毫瓦級無線傳感器等設備供電；另外，轉(zhuǎn)換后的直流電也可儲存在儲能電路中，從而真正實現(xiàn)依靠人類運動的振動能量采集。

（2）本發(fā)明將能量采集裝置內(nèi)置于運動鞋鞋底中，結(jié)構(gòu)簡單，空間利用合理；高能密磁陣列布置的永磁鐵組可以得到按理想正弦分布的空間磁場，可大大減弱智能運動鞋中的能量采集裝置的齒槽效應力矩，提高智能運動鞋的舒適度；另外，永磁鐵組布置成高能密磁陣列，可以有效提高永磁鐵組的磁場利用率，進而提高智能運動鞋能量采集效率和發(fā)電功率，滿足對內(nèi)置于智能運動鞋內(nèi)能量采集裝置的空間尺寸和能量采集的要求。

附圖說明

圖1是本發(fā)明仰視圖。

圖2是本發(fā)明主視圖。

圖3是本發(fā)明能量采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖。

圖4是本發(fā)明能量采集裝置中永磁鐵組結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是本發(fā)明能量采集裝置中感應線圈引線示意圖。

圖6是本發(fā)明能量采集裝置中液體流動示意圖。

圖7是本發(fā)明能量采集裝置磁力線分布示意圖。

圖8是本發(fā)明能量采集原理圖。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步說明：

圖1所示是本發(fā)明仰視圖，圖2所示是本發(fā)明主視圖，主要包括連接頭I1、能量采集裝置2、連接頭II3、回復式吸振驅(qū)動器I101、連接頭III102、管道I103、彈性線I104、彈性線II105、管道II106、連接頭IV107、回復式吸振驅(qū)動器II108、智能運動鞋109、液流體14和液力彈簧15。

圖3所示是本發(fā)明能量采集裝置結(jié)構(gòu)示意圖，主要包括外套筒4、感應線圈5、感應線圈繞線架6、永磁鐵組7、螺釘I8、緊固片I9、緊固銷10、緊固片II11、螺釘II12和方形安裝盒13。

圖4所示是本發(fā)明能量采集裝置中永磁鐵組結(jié)構(gòu)示意圖。永磁鐵組7由永磁鐵I、永磁鐵II、永磁鐵III和永磁鐵IV組成；永磁鐵I徑向由內(nèi)到外S極-N極布置，永磁鐵II軸向由上到下N極-S極布置，永磁鐵III徑向由內(nèi)到外N極-S極布置，永磁鐵IV軸向由上到下S極-N極布置；4個永磁鐵按照上述順序依次安裝在緊固銷10上，并通過緊固片I9和緊固片II11壓緊。

圖5所示是本發(fā)明能量采集裝置中感應線圈引線示意圖，感應線圈5由4個獨立線圈組成，分別纏繞于感應線圈繞線架6繞線槽內(nèi)；4個獨立線圈引線A₁、B₁、A₂、B₂、A₃、B₃、A₄、B₄分別從繞線槽①、②、③、④引出，進入感應線圈繞線架6的上端部引線槽，由外套筒4上的引線孔引出；感應線圈5采用四相繞組結(jié)構(gòu)設計，可有效增加感應線圈5發(fā)電功率，提高智能運動鞋109發(fā)電效率。

圖6所示是本發(fā)明能量采集裝置中液體流動示意圖?；貜褪轿耱?qū)動器II(108)、管道II(106)和能量采集裝置(2)圍成封閉容腔A；回復式吸振驅(qū)動器I(101)、管道I(103)和能量采集裝置(2)圍成封閉容腔B；封閉容腔A和B內(nèi)充滿液流體14；當有外部壓力時，封閉容腔A和B內(nèi)的液流體14就會分別推動永磁鐵組7沿軸向方向作往復直線運動。

圖7所示是本發(fā)明能量采集裝置磁力線分布示意圖。磁力線走向分為三部分，首先，永磁鐵I的N極進入感應線圈繞線架6和感應線圈5，到達外套筒4，再通過感應線圈繞線架6進入永磁鐵緊固片I9，最后回到永磁鐵I的S極，形成閉合磁路；其次，永磁鐵III的N極與永磁鐵II的S極相接，永磁鐵II的N極與永磁鐵I的S極相接，永磁鐵I的N極進入感應線圈繞線架6和感應線圈5，到達外套筒4，再通過感應線圈繞線架6返回到永磁鐵III的S極，形成閉合磁路；最后，永磁鐵III的N極與永磁鐵IV的S極相接，永磁鐵IV的N極進入永磁鐵緊固片II11，再進入感應線圈繞線架6和感應線圈5，到達外套筒4，然后通過感應線圈繞線架6返回到永磁鐵III的S極，形成閉合磁路。

圖8所示為本發(fā)明能量采集原理圖。人行走時的振動導致能量采集裝置2中的永磁鐵組7和感應線圈5產(chǎn)生相對運動，使智能運動鞋109發(fā)電，可直接供電于一些傳感器等檢測裝置，同時轉(zhuǎn)換后的直流電也可儲存在儲能電路中。產(chǎn)生的交流電通過交直流轉(zhuǎn)換器進行轉(zhuǎn)換，交直流轉(zhuǎn)換器包括整流電路、濾波電路以及穩(wěn)壓電路。其中，整流電路將升壓變壓器輸出的交流電進行整流處理，從而把大小和方向都隨時間變化的交流電變換為方向不變、大小隨時間變化的單相直流電。其次，濾波電路將整流電路輸出的單相直流電中殘余的交流分量濾除，從而得到相對比較穩(wěn)定的直流電；最后，穩(wěn)壓電路將濾波電路輸出直流電進一步進行穩(wěn)壓處理，得到恒定的電壓。具體地，整流電路濾波電路和穩(wěn)壓電路的具體電路器件和參數(shù)可根據(jù)需要進行靈活地設計；另外上述儲能元件可以靈活選用鋰電池、鎳氫電池、超級電容等元件，只要能夠?qū)崿F(xiàn)儲能目的即可。

本發(fā)明工作原理如下：

智能運動鞋109的后腳跟安裝有回復式吸振驅(qū)動器I101，前腳掌安裝有回復式吸振驅(qū)動器II108，由于人走路時后腳跟和前腳掌不同時著地，因此當后腳跟著地時回復式吸振驅(qū)動器I101受到外部壓力時，其內(nèi)部的液流體14就會在壓力的作用下通過連接頭III102進入管道I103內(nèi)，管道I103內(nèi)的液流體14受到擠壓進入連接頭I1，進而推動能量采集裝置2內(nèi)的永磁鐵組7向前運動，永磁鐵組7沿軸向相對與感應線圈繞線架6做相對運動；反之，當前腳掌著地時，回復式吸振驅(qū)動器II108受到外部壓力時，其內(nèi)部的液流體14就會在壓力的作用下通過連接頭IV107進入管道II106內(nèi)，管道II106內(nèi)的液流體14受到擠壓進入連接頭II2，進而推動液體會推動能量采集裝置2內(nèi)的永磁鐵組7向后運動，永磁鐵組7與感應線圈繞線架6做相對運動。在永磁鐵組7往復直線運動作用下，纏繞在感應線圈繞線架6中的感應線圈5切割磁感線，產(chǎn)生交流電，通過整流電路將產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流電，從而用于毫瓦級無線傳感器等設備使用，另外也可以將轉(zhuǎn)換后的電能儲存在儲能元件中。