鞋装置、鞋以及能改装的鞋附件的制作方法

本发明涉及鞋领域，具体地，涉及增强鞋的抓地力的鞋装置、鞋以及能改装的鞋附件。

背景技术：

在过去，提高鞋的抓地力的尝试涉及改变鞋底的材料或结构。

例如，美国专利申请第2013/036,633号披露了用于溪流徒步旅行和钓鱼的防滑鞋的防滑鞋底结构，其由具有较大摩擦系数的如无纺布的材料制成并具有在鞋底的预定位置形成的规则或不规则的中空凹槽。

de101-31-354描述了具有防滑构件的防滑结构的鞋底，其在与人脚的图像匹配的区域中的主定线上定向，以将自然步行运动的动力传递为整个鞋底区域的最大防滑效应。一些区域在身体重心位移期间保持牵引力，并且外边缘区域防止在边缘发生滑动。

研究的概述

d.ruffatto等人(2014年3月《ieee航空航天会议论文集》，“experimentalresultsofacontrollableelectrostatic/gecko-likeadhesiveonspacematerials(空间材料中可控静电/壁虎式粘合剂的实验结果)”)披露了对可控(即开关)粘合剂的实验结果的关注，可控粘合剂结合了静电和定向干式粘合剂(即壁虎式粘合剂)两者的益处。

k.autumn和a.peattie(《综合与比较生物学》(2002)第42卷第1081-1090页，“mechanismsofadhesioningeckos(壁虎中的粘附机制)”)涉及关于如何通过微观结构(例如，在壁虎的脚上的刚毛)产生力的研究。

m.dadkhah、z.zhao和n.wettels(2016年韩国大田的ieee/rsj国际智能机器人与系统大会，“aself-aligninggripperusinganelectrostatic/gecko-likeadhesive(使用静电/壁虎式粘合剂的自对准夹爪)”)介绍了新的基于静电/壁虎式粘合剂的平坦表面的机器人夹具。

c.calle、j.mcfall和c.bhler(2008年欧空局静电学年会，“dustparticleremovalbyelectrostaticanddielectrophoreticforceswithapplicationstonasaexplorationmissions(nasa探测任务应用的通过静电和介电电泳力去除尘粒)”)披露了使用静电和介电电泳力去除已经沉积在表面上的灰尘并防止灰尘颗粒聚集在这些表面上的除尘技术。

g.valiant(valiant耐克运动研究实验室在1997年12月提出的“designingproperathleticshoeoutsoletraction(设计适当的运动鞋外底牵引)”)涉及改善运动鞋外底牵引的设计。

r.l.ruichen和h.s.rongzhang(《国际先进机器人系统杂志》(2013年)第10卷第1期，“wallclimbingrobotusingelectrostaticadhesionforcegeneratedbyflexibleinterdigitalelectrodes(使用柔性指间电极产生的静电粘附力的爬墙机器人)”)涉及基于静电粘附技术的双跟踪爬墙机器人。

其他研究可以在这里找到：

●r.chen、r.lui、j.chen和j.zhang在2013年在深圳的ieee国际机器人和生物模拟学大会上提出的“ageckoinspiredwall-climbingrobotbasedonelectrostaticadhesionmechanism(基于静电粘附机制的壁虎灵感爬墙机器人)”。

●d.ruffatto、j.shah和m.spenko在2013年的ieee航空航天大会之大天空提出的“optimizationandexperimentalvalidationofelectrostaticadhesivegeometry(静电粘合剂几何的优化和实验验证)”。

●r.pelrine，“sri国际-美国航空航天局”。其可从网址：https://www.nasa.gov/pdf/626527main_3b-5_pelrine.pdf获得。

●c.kendall在1998年麻省理工学院提出的“parasiticpowercollectioninshoemounteddevices(鞋装设备中的寄生电力收集)”。

●j.kymissis、c.kendall和j.paradiso在2014年mit的物理和媒体小组提出的“parasiticpowerharvestinginshoes(鞋中的寄生电力收集)”。

●j.paradisoand和t.starner在2004年crc出版社的《低功耗电子设计》提出的“human-generatedpowerformobileelectronics(移动电子装置的人造电力)”。

●r.kornbluh、r.pelrine和q.pei在2002年在圣地亚哥“智能结构与材料2002”中提出的“electroelastomers:applicationsofdielectricelastomertransducersforactuation,generation,andsmartstructures(电动弹性体：用于致动、产生和智能结构的介质弹性体换能器的应用)”。

●j.franz、c.wierzbinski和r.kram在2012年的“运动与锻炼中的医学与科学”提出的“metaboliccostofrunningbarefootversus(赤脚跑的代谢成本对照)”。

●e.frederick在1993年在《isbs会议记录》提出的“optimalfrictionalpropertiesforsportshoesandsportsurfaces(运动鞋和运动表面的最佳摩擦属性)”。

●b.barry和p.milburn在《鞋类科学》(2013)第5卷第3期第137-145页，“tribology,frictionandtraction:understandingshoe-surfaceinteraction(摩擦学、摩擦和牵引：理解鞋面相互作用)”。

技术实现要素：

根据本发明，提供了鞋装置(例如用于附接到鞋的装置或鞋自身的装置)，其包括：电能存储设备；压电发生器，其被配置成当使用者迈步时发电，并将所发电力传送到电能存储设备；以及包括静电粘合剂部分(electrostaticadhesiveportion，静电附着部分)的鞋底，所述静电粘合剂部分被配置成响应于从电能存储设备接收到的电力而被激活(activated，启用)以增加鞋底的抓地力。

所述电能存储设备可为电池或电容器。

所述静电粘合剂部分可响应于施加到鞋底的力超出预定阈值而被激活。

所述鞋装置可包括被配置成检测施加到所述鞋装置的扭转力的传感器，其中所述鞋装置被配置成响应于检测到超出预定阈值的扭转力而使所述静电粘合剂部分去激活(deactivate，停用)。

所述鞋装置可包括确定由脚施加到所述鞋装置的力的传感器。

所述静电粘合剂部分可包括静电干式粘合剂。

所述鞋装置可被配置成：在所述鞋底于下表面上受到冲击之后的预定时间段激活所述静电粘合剂部分。

所述鞋装置可包括充电接口，以允许对所述电能存储设备充电。

所述鞋装置可被配置成对所述静电粘合剂部分施加清洁循环，所述清洁循环包括使所述静电粘合剂部分的静电场发生交替以排除表面上的灰尘和污垢。

所述鞋装置可被配置成响应于检测到使用者从下表面提起鞋时去激活所述静电粘合剂部分。

所述鞋装置可被配置成响应于检测到鞋底的后跟底部的压力降低而去激活所述静电粘合剂部分。

根据另一方面，提供了包括本文所述的鞋装置的鞋。

根据另一方面，提供了一种能改装的鞋附件，包括：

如本文所述的鞋装置；以及

被配置成将所述能改装的鞋附件连接到现有鞋底的一个或多个连接器。

鞋可涵盖旨在保护人脚和穿着舒适的任何类型的鞋类。在此情况下，鞋可以包括：凉鞋、训练鞋、靴子、舞蹈鞋、运动鞋、橡胶靴、跑步鞋(例如有或没有钉)、礼服鞋、远足靴。

所述技术可适用于所述设备的能改装的版本。所述能改装的鞋附件的部件可包括：电能存储设备；压电发生器，被配置成当使用者穿着所述鞋迈步时发电并将所发电力发送到所述电能存储设备；包括静电粘合剂部分的鞋底，所述静电粘合剂部分被配置成响应于被从所述电能存储设备接收到的电力激活而增强所述鞋的抓地力。

所述能改装的鞋附件可包括被配置成将所述能改装的鞋附件附接到现有鞋底的连接器。

所述能改装的鞋附件的所述鞋装置可包括另外的静电粘合剂部分，所述另外的静电粘合剂部分被放置在所述鞋底的顶部上并且被配置成限制所述能改装的鞋附件和所附接的鞋之间的移动

附图说明

如附图所示，本发明的各种目的、特征和优点将从以下对本发明的特定实施例的描述中变得显而易见。附图不一定按比例绘制，而是将重点放在说明本发明各个实施例的原理上。同样的附图标记表示同样的部件。

图1为静电粘合剂的剖视图；

图2为鞋的侧视图，该侧视图具有相互协作以增强鞋的抓地力的各种部件的示意性电路图；

图3为指示各种传感器的位置的鞋的俯视图；

图4为能改装的鞋附件的侧视图；以及

图5为鞋的实施例中存在的电力和控制系统的示意图。

具体实施方式

现在将参考附图描述本发明的各个方面。为了说明的目的，附图中所示的部件不一定按比例绘制。相反，重点强调了部件对本发明的各个方面的功能性的各种贡献。在本说明书的过程中引入了许多可能的替代特征。应理解，根据本领域技术人员的知识和判断，可以以各种组合替代这些替代特征以达到本发明的不同实施例。

本技术涉及以电子方式增强鞋(例如运动鞋)的抓地力。在该方式中，通过在鞋的鞋底上使用静电粘合剂(诸如静电干式粘合剂或eda)来增加鞋的抓地力。静电粘合剂由从使用者的运动(例如通过行走、跑步和/或跳跃)收集的压电电力提供电力。

eda为两种粘合剂技术的组合：静电粘合剂和干式粘合剂，其中，所得粘合剂大于各份数的总和。静电粘合剂使用电荷引起两种材料之间的静电吸引。干式粘合剂使用微观纤维结构，这增加粘合剂表面的接触面积，并通过范德华力产生粘附。最知名的干式粘合剂发现于壁虎的脚底。

静电干式粘合剂

图1示出了可以用作鞋的一部分的静电干式粘合剂设备110的示例。在此情况下，静电粘合剂为静电干式粘合剂(eda)。

图1的抓地力增强特征结合了两种粘合剂技术：通过范德华力粘附的由非常精细的微观结构组成的干式粘合剂以及通过静电吸附粘附的静电粘合剂。如上所述，这种组合正在积极研究中，因为与每种技术单独相比，静电和干式粘附的组合可提供协同的性能。静电元件将粘合剂拉到基材中，这允许更多的干式粘合剂微观结构来接合表面。当加载微观结构时，粘合剂被拉入以与基材更接近地接触。因此，表面和静电元件的电极之间的距离进一步减小，从而增加其粘附力。这产生了积极的反馈循环，其中两种粘合机制补足彼此的性能。

在图1中，示出了静电干式粘合剂设备(eda)110。在静电干式粘合剂设备110中，微观结构化的干式粘合剂元件112(诸如微型楔形式)可通过诸如模制在聚合物接触表面114(例如硅基)中而直接形成，其中，在聚合物接触表面114的后面，一组静电粘合剂电极116被嵌入柔性聚合物118(例如硅)中。在静电干式粘合剂设备110中，静电粘合剂能够提供正常的粘附力以预加载干式粘合剂元件112并将静电干式粘合剂设备110拉到基材上。定向的干式粘合剂元件112有利地提供微尺度特征、易脱模性能和高的接触面积的构造。微型楔的长度可在10-100μm之间。

干式粘合剂(如图1所示的微型楔)可以粘附到具有变化的粗糙度的许多表面。干式粘合剂通常包括许多小的微观结构，通常为三角楔形。在粗糙的表面上，结构接合表面，由此它们通过纹理互锁，并且通过摩擦效应抵抗剪切。在光滑的表面上，微观结构允许夹持材料以塑性变形，这样使得结构与表面紧密接触，并且可以形成范德华力。

静电粘合剂也可以在具有不同粗糙度的包括导电、半导体和绝缘表面的表面上操作。它们通过在嵌入电介质中的一组电极上产生电场来起作用。在导电材料上，这使得电子在正极下迁移以在负极下形成电子空穴。所得的电荷在电极和基材之间产生吸引力。在非导电表面上，电场使基材极化，这产生与电场强度的平方成比例的吸引力。

传统的仅基于摩擦的鞋可以在突然的横向运动期间(基于0.75的摩擦系数)产生至少60kpa的横向剪切阻力。目前关于eda的文献综述(见上文)列出了5-22kpa之间的剪切阻力。对eda测量的剪切阻力不包括由传统鞋所经受的法向力引起的摩擦效应。因此，eda的剪切阻力将是除了在本申请中由通常的法向力摩擦效应产生的剪切阻力之外的剪切阻力。由于eda所需的材料限制，传统意义上测量的配备eda的外底(即忽略由于eda引起的附加力)可能会导致摩擦某种程度上减小。然而，与传统鞋相比，配备eda的外底的摩擦系数可能会下降8％-36％，而eda仍将提供牵引力的净增益。

eda可能对于在硬质球场类型的表面上使用的鞋来说是特别有利的。也就是说，在粗糙或不平坦的表面上，例如远足路径、粗糙的岩石等上，摩擦通常较高，因此eda可能按比例增加较小的牵引力。

即使除去eda的微观结构(或使用非微观结构的静电粘合剂)，静电部分也可保持，并且抓地力增强仍然是可能的并且是有益的，但是在较小的程度上。

从行走步态收集的压电电力

为了向静电粘合剂供电，通过嵌入在鞋中(例如在鞋底中)的压电材料收集电力。当压电材料通过行走的力进行应变(例如压缩)时，在压电材料上产生电势。电势可以存储在电池或其他电能存储设备中，以根据需要通过静电粘合剂放出。电力也可以通过传统方式充电的电池供电。

图2示出了一种鞋200，包括：电能存储设备225(在这种情况下为电容器)；压电发生器230，其被配置成当使用者穿着鞋迈步时发电，并将所发电力传送到电能存储设备；包括静电粘合剂部分210的鞋底201，静电粘合剂部分210被配置成响应于从电能存储设备接收到的电力而被激活以增加鞋的抓地力。

在此情况下，压电发生器230被放置在鞋底201的后跟中，并且被配置成随着使用者将其重量放在鞋底的鞋底部分上发电。然后所发的电由所连接的电容器收集。应理解，在其他实施例中，能量可存储在可再充电电池中。

压电能量收集元件可位于鞋中的任何位置(例如，在鞋底部和脚之间)。压电能量收集元件可被放置在鞋底的较厚部分内(存在空间的位置)和/或落脚发生最大冲击的位置(例如在脚的跖球部和/或后跟之下)。

在此情况下，鞋还包括被配置成控制静电粘合剂部分210何时被激活的控制器220。在此情况下，控制器从位于前部的鞋内底的传感器接收数据。

政府和研究机构在广泛研究使用压电材料从步行收集电力以作为向移动电子装置供电的方法。该技术已被开发，使得许多预商业原型已进行了测试。

优选地，压电发生器应被配置成产生比静电粘合剂使用的电力更多的电力，从而允许电损耗和低效率。

通常，在压电发生器的峰值电压约为50v时，需要超出3000v来操作静电粘合剂。将电力存储在电池中将需要电压在3.6-12v之间。因此，鞋可包括一个、两个或更多个电压转换器。例如，这些可包括降压转换器，其被配置成降低由用于能量存储设备(例如电池)的压电发生器产生的电压；以及升压转换器，其被配置成升高来自用于静电粘合剂的电池的电压。如在此情况下，使用电容器可能会降低对降压转换器的需求。

每次静电粘合剂被激活时都需要电力。维持激活状态需要相对较小的电力。电力要求取决于静电粘合剂电极的设计、大小、材料、充电电压和被抓紧的表面。对于每横向粘合力的电力要求，电力要求可能约0.02mw/n。

静电粘合剂可在每一步时进行开关循环，即静电粘合剂仅在鞋与地面直接接触时被激活，并且在鞋从地面提起之前被去激活。不去激活静电粘合剂可能会节省电力(但是当提起时可能会使鞋更粘)。

在文献中很好地界定了从步行中收集能量所获得的电力。已实现了使用聚偏氟乙烯(pvdf)膜收集高达0.6mw的电力。已实现了使用锆钛酸铅(pzt)压电发生器达到1.8-8.4mw之间的电力。已实现使用电活性聚合物/介电弹性体收集高达800mw的电力。

为了确保静电粘合剂完全地供电，鞋可被配置成仅响应于检测到某些阈值条件来激活静电粘合剂。也就是说，在一些实施例中，静电粘合剂可能不是每一步都激活。例如，在图2的实施例中，只有当施加到力传感器240的力超出预定阈值时，静电粘合剂部分210才能被激活。这有助于确保在真正需要时可以获得额外的抓地力，并且有助于确保静电粘合剂所使用的电力可以完全地由压电发生器230提供。

静电粘合剂可被放置在鞋底上的任何位置。静电粘合剂可被放置在脚的跖球部下面。静电粘合剂可跨鞋底表面的大部分延伸(例如大于鞋底面积的50％)。

附加抓地力引起的潜在问题

从性能角度来看，额外的抓地力通常被认为是运动鞋的优势。然而，太多的抓地力，特别是旋转抓地力，可能导致对运动损伤的敏感性增加。

过度的旋转抓地力与膝盖受伤有很大的关系，但在大多数体育运动中并不需要。斜切动作和其他方向变化是纯平移的。它们只要求在引导水平力的平面中的运动期间鞋不会在表面上发生滑动。旋转不是防止滑倒的问题。当改变方向或跑步加速时脚不旋转。抓地力可通过增加平移抓地力来增强同时保持旋转抓地力较低。

过度的平移抓地力也会增加运动损伤，主要是脚踝。从损伤预防的角度来看，文献建议保持旋转抓地力尽可能低，刚好高于约10-12nm的最小阈值，并且平移抓地力略高于其最小要求值。在典型表面上具有0.8的平移摩擦系数并且表现出最小的旋转抓地力的运动鞋设计应允许最佳的性能，同时使受伤的风险减到最小。

图3示出了类似于图2的实施例的实施例，除了存在力传感器的更大阵列之外。具体地，该鞋300包括以下力传感器：

●左前侧传感器340a；

●左后侧传感器340b；

●右前侧传感器340c；

●右后侧传感器340d；

●舌形传感器340e，其被配置成测量由脚向前方施加给鞋的力(例如当制动时)；以及

●后跟传感器340f，其被配置成测量由脚向后方施加到鞋的力(例如在加速期间)。

在此情况下，鞋的扭转可由侧传感器340a-d确定。例如，如果使用者向鞋施加顺时针扭转，则在右前侧传感器340c和左后侧传感器340b将检测到更大的力。同样地，如果使用者向鞋施加反向或逆时针扭转，则在左前侧传感器340a和右后侧传感器340d将检测到更大的力。

在此情况下，控制器(未示出)被配置成响应于检测到超出预定阈值的扭转力来去激活静电粘合剂部分。这可能有助于通过确保在需要平移抓地力时施加由于静电引起的额外抓地力，并且当鞋旋转时不会施加额外抓地力来减少损伤。

能改装的鞋附件

图4示出了能改装的鞋附件400。能改装的鞋附件400所附接的鞋以虚线示出。在此情况下，能改装的鞋附件400可包括：电能存储设备425(在此情况下为电容器)；压电发生器430，其被配置成当使用者穿着鞋迈步时发电并将所发电力发送到电能存储设备；包括静电粘合剂部分410的鞋底401，所述静电粘合剂部分被配置成响应于被从电能存储设备接收到的电力激活而增强鞋的抓地力；以及一个或多个连接器441，其被配置成将能改装的鞋附件连接到现有鞋底。

静电粘合剂部分410可仅当施加于力传感器440的力超出预定阈值时被激活。在此情况下，能改装的鞋附件可由可选的控制器420控制。

在此情况下，连接器441包括两个弹性带，这两个弹性带被配置成围绕鞋延伸(以虚线示出)以将鞋附件400改装到鞋。应理解，可使用其它连接器。

示意图

图5为鞋的实施例中存在的电力和控制系统的示意图。在图5中，实线示出电力传输，以及虚线示出数据传输。

在本实施例中，由压电发生器530产生电力。该电力被传递到电池/电力管理系统526，电池/电力管理系统被配置成根据需要对电池525(电能存储设备)充电。电池/电力管理系统监测电池的充电状态并控制向电池供电。电池/电力管理系统还控制向使用者显示电池的充电状态的可视显示器(在此情况下为状态为led591)。

在此情况下，静电干式粘合剂510由静电干式粘合剂控制器520控制。静电粘合剂控制器响应于从各个传感器(在此情况下为加速度计541和力传感器540)接收到的数据来激活静电粘合剂。经由高压发生器524将从电池525接收到的激活和去激活静电粘合剂的电力输送给静电粘合剂。静电粘合剂控制器还具有与电池/电力管理系统526和高压发生器524联系的双向数据链路。

其他选项

鞋可被配置成在下表面上冲击鞋底之后的预定时间段内激活静电粘合剂部分。例如，在跑步鞋中，在起跑前最需要抓地力。因此，在检测到初始冲击之后(例如，使用跑鞋的鞋底中的力检测器)，鞋可被配置成激活静电粘合剂50-150毫秒。

鞋可包括充电接口以允许对电能存储设备充电。这可允许在使用之前对电能存储设备充电。充电接口可包括用于有线充电的电终端或无线充电接口。通过允许充电，不需要由压电发生器产生抓地力增强所需的所有电力。

当静电粘合剂用于脏污或多尘的环境中时，静电吸引可能会导致灰尘附着在表面上。随着时间的推移，灰尘将形成一层，这层由于堵塞微表面并增加静电电极和表面之间的距离而使粘合剂性质变坏。该影响可利用清洁循环来减轻，清洁循环包括使静电粘合剂的静电场发生交替来排除表面上的灰尘和污垢。也就是说，鞋可被配置成对静电粘合剂施加清洁循环，清洁循环包括使静电粘合剂部分的静电场发生交替以排除表面上的灰尘和污垢。

尽管在先前的实施例中，静电粘合剂部件被配置成增加鞋底和下表面之间的粘附力，但是可使用其它选项。例如，静电粘合剂部分可被放置在鞋内以粘附脚以限制脚在鞋内的移动。在能改装的实施例中，粘合剂部分可被放置在能改装部分和附接鞋之间以限制能改装部分和鞋之间的移动。例如，另外的静电粘合剂部分可被放置在能改装部分的鞋底顶部上以连接所附接鞋的鞋底。在此情况下，顶部和底部是基于使用者在水平表面上竖直行走而限定的。

尽管已经关于优选实施例及其优选用途描述和示出了本发明，但是不限于此，因为如本领域技术人员所理解的，可以在由所附权利要求限定的本发明的完整预期范围内进行修改和改变。