一种压电自供能定位鞋.pdf

本发明公开了一种压电自供能定位鞋，该定位鞋包括鞋底和鞋面，鞋底内设有电源模块、控制模块、GPS定位模块和无线通信模块，电源模块包括压电发电单元以及储能单元，鞋底带有受压形变区，压电发电单元包括：与该受压形变区接触配合的压块；受压块驱动变形而发电的压电体，压电体固定在鞋底内且与储能单元电路连接。在人体重力作用下，受压形变区发生形变，与该受压形变区接触的压块因发生相对位移而驱使压电体变形，压电体在变形过程中产生不同的电荷，形成电势差，如此在人行走过程中，压电体持续发电并将电能储存于储能单元中，可不受时间和自然条件限制持续驱动控制模块、GPS定位模块和无线通信模块工作，向外界提供穿戴者的定位信息。

权利要求书
1.  一种压电自供能定位鞋，包括鞋底和鞋面，鞋底内设有电源模块、 控制模块、GPS定位模块和无线通信模块，所述电源模块包括压电发电单 元以及储能单元，其特征在于，所述鞋底带有受压形变区，所述压电发电 单元包括：
与该受压形变区接触配合的压块；
受压块驱动变形而发电的压电体，所述压电体固定在鞋底内且与储能 单元电路连接。

2.  如权利要求1所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述鞋底 内安装有座体，该座体内设容置腔，所述容置腔的侧壁上开有条形嵌孔， 所述压电体包括固定在条形嵌孔内的固定端，以及处于容置腔内的悬空 端，所述压块与该悬空端相作用。

3.  如权利要求1或2所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述 压电体包括弹性板，所述弹性板的外表面固定有压电材料层。

4.  如权利要求2所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述压块 包括压盘以及固定在压盘底面的压杆，所述座体的顶面开设有导向孔，所 述压杆穿过导向孔伸入容置腔内且与压电体的悬空端相作用，所述压盘与 座体顶面之间抵接有复位弹簧；
所述压盘与鞋底的受压形变区接触配合。

5.  如权利要求4所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述容置 腔内设有与压杆相作用的轴向限位件。

6.  如权利要求5所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述轴向 限位件包括位于容置腔内壁的限位杆，所述压杆上设有与该限位杆相配合 的条形销孔。

7.  如权利要求4所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所述压杆 上设有与压电体悬空端相配合的嵌槽。

8.  如权利要求1～7任一所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所 述鞋底上设有报警开关，所述报警开关用于触发控制模块控制GPS定位 模块进行定位并控制无线通信模块发送定位信号。

9.  如权利要求1～7任一所述的压电自供能定位鞋，其特征在于，所 述鞋底和鞋面通过拉链连接固定。

说明书一种压电自供能定位鞋
技术领域
本发明涉及一种定位鞋，具体涉及一种压电自供能定位鞋。
背景技术
近年来儿童、老人、大学生失联事件时有发生，如何及时定位失联者 和失联者遇紧急情况及时发出请求信号是一个亟待解决的问题。可穿戴定 位设备是一个较好的解决方案，目前市场可见定位手表、定位鞋、定位书 包等产品。
但这些产品的供能方式大多采用电池供电或外接充电器供电，电源续 航能力不足，在户外探险者掉队或遇到意外、老人或儿童迷路或遇到危险、 卧底警察遇到危险、重要人物或高收入人群被绑架等诸多情况中，一旦定 位设备的电源耗尽，用户是无法及时给定位设备充电的，从而影响了定位 设备的使用，大大限制了突发情况的营救时间，给用户带来了诸多不便并 且可能危及用户的生命安全。因此开发设计一款自供电可穿戴设备具有极 大的意义。
公告号为CN 203191588U的中国专利文献公开了一种自供电定位 鞋，该自供电定位鞋包括鞋体，所述鞋体内进一步包括：电源模块，中央 处理模块，GPS定位模块以及无线通信模块，其中，所述电源模块与所述 中央处理模块相连，所述电源模块进一步包括纳米摩擦发电机和储能装 置；所述中央处理模块与所述GPS定位模块相连并控制所述GPS定位模 块进行定位；所述中央处理模块进一步与所述无线通信模块相连并将所述 GPS定位模块产生的定位信息提供给所述无线通信模块。
公开号为CN 102125327B的中国专利文献公开了一种太阳能定位 鞋，该太阳能定位鞋包括太阳能薄膜、第一鞋体、以及安装于所第一鞋体 处的光电转化器、GPS模块、蓄电池，所述太阳能薄膜铺设于所述第一 鞋体外表面，所述光电转化器与所述太阳能薄膜相连、且将所述太阳能薄 膜获取的光能转换为电能，所述光电转化器与所述蓄电池相连、且光电转 化器将电能输入所述蓄电池内，所述蓄电池与所述GPS模块相连、且为 所述GPS模块提供电能；该太阳能定位鞋还包括多媒体模块、以及与所 述多媒体模块相连的多媒体按键，所述单片机与所述多媒体模块相连、且 所述单片机通过所述无线发送模块将所述多媒体模块获取的多媒体信息 发送出去。
上述的太阳能定位鞋中，电源模块在长时间黑暗等特殊环境中难以实 现持续自供电。
公告号为CN203314228U的中国专利文献公开了一种能自动充电的 GPS定位鞋，该自动充电的GPS定位鞋包括GPS定位装置和能在压力下 产生电能的压电橡胶，通过利用行走踩压作用于鞋垫中的压电橡胶所产生 的电能，驱动GPS模块和移动通信模块(GSM/GPRS网络)工作，提供穿戴 者的位置信息。
该GPS定位鞋的不足之处在于，压电橡胶在被踩压之后单靠压电橡 胶自身的弹力复位，受人行走步伐影响，在下一次踩压前，压电橡胶还未 回复原位，导致压电橡胶每次变形的形变空间有限，发电效率低下。
发明内容
本发明提供了一种压电自供能定位鞋，该定位鞋能实现有效地持续自 供电。
一种压电自供能定位鞋，包括鞋底和鞋面，鞋底内设有电源模块、控 制模块、GPS定位模块和无线通信模块，所述电源模块包括压电发电单元 以及储能单元，所述鞋底带有受压形变区，所述压电发电单元包括：
与该受压形变区接触配合的压块；
受压块驱动变形而发电的压电体，所述压电体固定在鞋底内且与储能 单元电路连接。
在人体重力作用下，鞋底的受压形变区发生形变，与该受压形变区接 触的压块因发生相对位移而驱使压电体变形，压电体在变形过程中产生不 同的电荷，形成电势差，并输出至储能单元中存储起来。如此在人行走过 程中，压电体持续发电并将产生的电能储存于储能单元中，储能单元分别 向控制模块、GPS定位模块和无线通信模块供电，GPS定位模块和无线通 信模块受控制模块操纵，发挥相应的功能。
本发明中，压电发电单元在鞋底内的安装方式为：所述鞋底内安装有 座体，该座体内设容置腔，所述容置腔的侧壁上开有条形嵌孔，所述压电 体包括固定在条形嵌孔内的固定端，以及处于容置腔内的悬空端，所述压 块与该悬空端相作用。
本发明的压电体为悬臂梁式结构，容置腔为压电体提供形变空间，相 对于鞋底发生相对位移的压块挤压压电体的悬空端，使压电体弯曲而在两 弯曲面上产生电荷。
作为优选，所述压电体包括弹性板，所述弹性板的外表面固定有压电 材料层。如此不仅能节约压电材料，还可提高压电体的使用寿命。
作为优选，压电材料层分别固定在弹性板的两相对侧面上，两压电材 料层串联连接，以增加输出电压。
本发明中，所述压块包括压盘以及固定在压盘底面的压杆，所述座体 的顶面开设有导向孔，所述压杆穿过导向孔伸入容置腔内且与压电体的悬 空端相作用，所述压盘与座体顶面之间抵接有复位弹簧；
所述压盘与鞋底的受压形变区接触配合。
采用压盘与鞋底的受压形变区接触配合，可以提高压块的受力面积， 避免人体踩踏时因鞋底与压块接触面过小而使脚部产生不适感。压盘与座 体之间的复位弹簧有助于当人体压力消失时压块能及时回复原位，免除对 压电体的挤压。
本发明中，所述容置腔内设有与压杆相作用的轴向限位件。
作为优选，所述轴向限位件包括位于容置腔内壁的限位杆，所述压杆 上设有与该限位杆相配合的条形销孔。
压杆下压过程中，限位杆即沿条形销孔滑动，一方面可以将压块活动 安装在底座上，一方面可以在一定程度上限制压杆对压电体的挤压力度。
作为进一步优选，所述限位杆的端部为膨大部。膨大的端部有利于防 止限位杆脱离条形销孔。
作为优选，所述压杆上设有与压电体悬空端相配合的嵌槽。当人体压 力消失时，压杆受复位弹簧作用回复原位，嵌槽与压电体悬空端相配合有 助于压杆复位时带动压电体及时复位，从而增加下一次踩压时压电体的形 变空间，提高压电体的发电效率。
本发明中，所述鞋底上设有报警开关，所述报警开关用于触发控制模 块控制GPS定位模块进行定位并控制无线通信模块发送定位信号。
作为优选，所述鞋底和鞋面通过拉链连接固定。鞋底与鞋面为可分离 式，便于清洗和更换不同的鞋面，降低了顾客的购买成本。
本发明压电自供能定位鞋的工作方式为：
人体行走过程中，鞋底的受压形变区在人体重力作用下发生形变，与 该受压形变区接触的压盘相对于压电体产生相对位移，驱使压杆挤压压电 体的悬空端，从而压电体发生弯曲并在两弯曲面上产生不同的电荷，形成 电势差，产生的电能通过电路输出至储能单元中存储起来。如此在人行走 过程中，压电体持续发电并将产生的电能储存于储能单元中，储能单元分 别向控制模块、GPS定位模块和无线通信模块供电。所述控制模块具有软 件控制与硬件控制两种模式。平时整套系统处于待机状态，当家人需要知 道穿鞋者位置时，可发送查询信号给定位鞋上的控制模块，控制模块收到 信号后开启GPS定位模块，将获取的位置信息经无线通信模块回传给询 问机，从而告知家人穿鞋者所处位置；当穿鞋者处于紧急情况时，可自己 触发报警开关，控制模块控制GPS定位模块获取位置信息并将位置信息 通过无线通信模块发送到家人或警方所持的询问机。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
(1)本发明的电源模块中设有压电发电单元，利用压块和压电体将 人体重力或压力产生的机械能转化为电能，这种机械能随时随地都能产 生，从而能够持续地为其他各模块供电，克服了传统定位鞋电源续航能力 不足的问题；
(2)本发明采用悬臂梁式的压电体结构，采用复位弹簧驱使压电体 和压块及时复位，从而增加下一次踩压时压电体的形变空间，提高压电体 的发电效率和发电能力；
(3)本发明采用夹心式的压电体，弹性板两侧的压电材料层可选用 不同的压电材料，扩大原料取材范围，降低定位鞋的制作成本，同时提高 了压电材料的使用寿命。
附图说明
图1为本发明压电自供能定位鞋的结构示意图；
图2为本发明压电自供能定位鞋中压电自供能定位系统的连接关系 图；
图3为图1中下鞋底的结构示意图；
图4为图2中压电发电单元的结构示意图；
图5为图4中座体的结构示意图；
图6为图4中压块的结构示意图；
图7为图4中压块在另一视角下的结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细说明。
如图1所示，本实施例一种压电自供能定位鞋，包括下鞋底1、上鞋 底9和鞋面2，下鞋底1与上鞋底9之间缝合或胶接，鞋面2与上鞋底9 之间通过拉链3连接固定。
下鞋底1内安装有压电自供能定位系统，由图2可见，该压电自供能 定位系统包括电源模块、控制模块、GPS定位模块和无线通信模块，电源 模块分别向其他三个模块供电。
由图3可见，下鞋底1的底面设有第一腔体11和第二腔体12，第二 腔体12用于安装电源模块，第一腔体11用于安装控制模块、GPS定位模 块和无线通信模块，第一腔体11和第二腔体12之间通过线槽13相连通。 并且，上鞋底9与第二腔体12相对应的区域为受压形变区。
由图2、图3、图4可见，电源模块包括压电发电单元和储能单元， 其中压电发电单元包括安装在第二腔体12内的座体4，座体4上安装有压 电体5和压块6。
由图4可见，压电体5为夹层状，由弹性板53与固定在弹性板53上 下两侧的压电材料层54组成，两压电材料层54串联连接，且其中一个压 电材料层54连接正电极81，另一个压电材料层54连接负电极82，通过 正电极81与负电极82将压电体5产生的电压输出至储能单元。
由图4、图5可见，压电体5的安装方式为：座体4内设有容置腔41， 容置腔41的侧壁上开有条形嵌孔42，压电体包括固定在条形嵌孔42内的 固定端51，以及处于容置腔41内的悬空端52。
座体4上还设有与条形嵌孔42位置相对应的螺纹孔43，压电体5的 固定端51也带有位置、大小对应的螺纹孔。如此可以采用螺丝进一步将 压电体5的固定端51固定在条形嵌孔42内。
由图5、图6可见，压块6的安装方式为：座体4的顶面开设有导向 孔46，压块6包括压盘61以及固定在压盘61底面的压杆62，其中，压 盘61与上鞋底9的受压形变区接触配合，压杆62穿过导向孔46伸入容 置腔41内，且压杆62上设有与压电体5悬空端52相配合的嵌槽64。
并且，压盘61的底面与座体4顶面上均设有用于安装复位弹簧7的 抵接孔45。抵接孔45成对地布置在压盘61和座体4上，并且，在压盘 61上，抵接孔45均匀分布，以保证压盘61受力均匀。
如图6、图7所示，容置腔41的内壁上安装有限位杆44，压杆62上 开设有与限位杆44相配合的条形销孔63。限位杆44用于限制压杆62对 压电体5的挤压力度，并且限位杆44伸入条形销孔63的端部为膨大部， 如此限位杆44不会脱离条形销孔63，对压杆62也具有一定的导向作用。
由图5、图6可见，限位杆44的安装方式为：容置腔41的侧壁上开 设有第一座孔47，限位杆44上设有与第一座孔47相对应的第二座孔48， 通过在第一座孔47和第二座孔48之间穿设螺钉，将限位杆44固定到座 体4上。
如图2所示，本实施例中储能单元包括依次电路连接的二极管、电容、 开关、直流电压转换器和可充电电池。来自压电发电单元的能量经二极管 暂存于电容，当电容电压达到一定值时开关开启，电容开始放电，经直流 电压转化器给可充电电池充电；当电容放电后，电压低于设定值时，开关 关闭，电容开始充电，如此循环往复，将压电发电单元产生的能量存储在 可充电电池中，为控制模块、GPS定位模块和无线通信模块供能。
无线通信模块包括信号接收通讯单元、终端移动通信数据接收与发送 单元，SIM卡、天线10等。信号接收通讯单元可选用GSM/GPRS、CDMA、 Wi-Fi、蓝牙等，作为优选，本实施例选用GSM/GPRS。由图1、图3可 见，下鞋底1的侧面开有与第一腔体11相连通的第三座孔15，所述天线 10即安装在该第三座孔15内。
如图1所示，第三座孔15内还安装有报警开关14，报警开关14用于 触发控制模块控制GPS定位模块进行定位并控制无线通信模块发送定位 信号。
装配时，先将限位杆44固定在容置腔41内，在压盘61与座体4之 间相对应的抵接孔45内抵接复位弹簧7，复位弹簧7的两端分别固定在抵 接孔45内；将压杆62从导向孔处置入容置腔41内，容置腔41内壁上的 限位杆44同时嵌入压杆62的条形销孔63内；将压电体5的固定端51嵌 入座体4的条形嵌孔42内，悬空端52嵌入压杆62的嵌槽64内，并固定 螺丝，组装成压电发电单元；
再将压电发电单元与储能单元组装成电源模块，置入下鞋底1的第二 腔体12内，将控制模块、GPS定位模块和无线通信模块置入下鞋底1的 第一腔体11内，将天线10与报警开关14置入第三座孔15内；
最后在下鞋底1上方缝合或胶接上鞋底9，再将鞋面2通过拉链3固 定到上鞋底9上。
本实施例压电自供能定位鞋的工作方式为：
人体行走过程中，上鞋底9的受压形变区在人体重力作用下发生形变， 与该受压形变区接触的压盘61相对于压电体5产生相对位移，驱使压杆 62挤压压电体5的悬空端52，从而压电体5发生弯曲并在两弯曲面上产 生不同的电荷，形成电势差，产生的电能通过电路输出至储能单元中存储 起来。如此在人行走过程中，压电体5持续发电并将产生的电能储存于储 能单元中，储能单元分别向控制模块、GPS定位模块和无线通信模块供电。 控制模块具有软件控制与硬件控制两种模式，平时整套系统处于待机状 态，当家人需要知道穿鞋者位置时，可发送查询信号给定位鞋上的控制模 块，控制模块收到信号后开启GPS定位模块，将获取的位置信息经无线 通信模块的天线10回传给询问机，从而告知家人穿鞋者所处位置；当穿 鞋者处于紧急情况时，可自己触发报警开关14，控制模块控制GPS定位 模块获取位置信息并将位置信息通过无线通信模块发送到家人或警方所 持的询问机。