能量采集鞋底的制作方法

本发明涉及一种用于具有至少一个模块的鞋子鞋底的系统，该模块包括至少一个压电元件。

背景技术：

对于许多人，运动是他们生活的必不可少的一部分。例如，人们跑步以改善他们的健康并以健康的方式生活。随着智能手机的出现，在训练期间和训练之后用其检测个人的训练表现以改进训练、并且甚至用于与朋友分享结果(例如通过社交网络)已经变得很普遍。

为此目的，已知由各种方法来获取数据，诸如步数、行进距离、节奏、步速、速度等等。例如，智能手机提供应用程序(apps)，应用程序可以用于通过在智能电话中的诸如gps传感器和/或运动传感器的集成传感器监测活动。

其他方法涉及放置在人身上或运动服饰上(例如，鞋子)某处的传感器。现有方法涉及放置在鞋子的鞋底中某处以测量至少一些上述参数中的传感器。在锻炼期间或锻炼之后，测量的参数可以随后被传输至诸如智能手机的监测装置。

大部分上述传感器包括电池以能够测量所需的数据。因此，有时电池变空并需要替换新的电池。对于一些传感器模型，甚至可能有必要替换完整的装置。很明显，这些解决方案对环境造成显著的负担。因此，业界已经在考虑进一步的方法。

其他传感器的一个实例涉及用于在锻炼期间产生能量的压电元件，这些能量可以被存储或用于操作对应的传感器。

例如，美国专利申请公开文本us2013/0028368涉及用于鞋子的计步器。一个电动势单元包括压电元件，当使用者将其脚落在地面上时，该压电元件产生电流响应施加在其上的压力。电流被提供给外部的计步器单元以进行步数的计数。

由ishida等人发表在ieee固态电路期刊2013年1月第48卷第1期的论文“具有压电能量采集器和2v有机电路的内底计步器”公开了另一种解决方案，描述了一种鞋内底计步器，其包含压电能量采集器并且包括伪cmos14比特计步器，该计数器使用采集的电力记录步数。在行走期间每次内底被脚按压，压电能量采集器产生脉冲，该压电能量采集器为卷曲的聚偏氟乙烯(pvdf)片。也包括在鞋底中的其他pvdf卷可以被用作用于有机电路的电源。

美国专利申请公开文本us2014/0088917也公开了一种具有能量提取功能的计步器。为此目的，计步器装置检测并计数使用者步数。该装置包括换能器，换能器可以为压电类型的，其配置为产生电换能信号响应用户跨步。能量收集系统耦合至换能器以产生电源电压响应该电换能信号。处理单元由电源电压供电。处理单元进一步配置为感测电换能信号并确定是否出现了使用者步数并响应该确定增加计步值。

尽管上述方法某种程度上有助于降低对环境造成的不利影响，从实用的角度来看它们仍然具有多种弊端。例如，这样的传感器制造起来复杂、相对较大并且在多种可能情况下可能不实用。例如，当不使用鞋子时，例如在短暂休息期间或在锻炼之后，可能不能使用传感器或所获取的数据。

因此本发明的根本目的在于提供改进的压电传感器系统以用于监测各种参数，该系统易于生产、小而便于放置在鞋子鞋底内部并且其为运动员提供出众的使用性。

技术实现要素：

该目的至少部分地由用于具有至少一个模块的鞋子鞋底的系统解决，该模块包括至少一个压电元件，该压电元件适于基于至少一个压电元件(本文还被称为压电元件)的机械变形产生电信号。电信号适于用作用于得到鞋子鞋底的至少一个运动参数的信号。系统进一步包括至少第一能量存储器和第二能量存储器，该至少第一能量存储器和第二能量存储器适于存储从电信号获得的电能量，并且仅在第一能量存储器达到第一能量阈值之后加载第二能量存储器。

使用包括压电元件的模块提供了各种优势，例如免去了对外部电源的需要。然而，从零开始建立其自身的能量还意味着为了能够使用模块和系统，鞋穿戴者一定量的初始运动是必要的，以建立操作系统和模块所需的最小量的能量。原因在于只有当足够能量可用时，在系统中电信号可以被处理并且参数可以被确定(以及例如，本地存储)。通过提供可以被用来快速操作系统或至少为其最重要的部分的第一能量存储器，可以确保系统的正常功能。第一能量存储器(例如，电容)的存储大小可以被保持为尽可能的小以获得用以运行的基本功能(例如，一个或多个诸如逻辑ic和/或调节器ic的控制元件)。具有较小的电容，电容器中的电压将更快地上升(u＝q/c)，其中c是电容、q是电荷以及u是电压。然而，电容不可以太小，因为当基本控制元件开始工作时，它们会耗费额外的启动电力/电荷，这会在电容器中造成电压下降。在控制逻辑中(例如，在逻辑ic中)随后可以开始步数计数。另一方面，通过另外提供第二能量存储器仅当第一能量存储器达到第一能量阈值(并保持在该阈值之上)时被充电，可以使用进一步的功能。当控制元件(例如，调节器ic和逻辑ic)正在运行时，它们将会耗费一定量的电力/电荷。额外的电力/电荷被加载到第二能量存储器(例如，电容器)。当能量存储在第二能量存储器中时(例如，电容器电压达到某一水平)，控制元件(例如，逻辑ic)可以允许打开附加的控制元件，诸如用于远程传输(例如，蓝牙低功耗(btle)、蓝牙、智能蓝牙、irda、近场通信(nfc)、蜂窝网络、zigbee、wifi或其他使用合适标准的控制器)的微控制器或控制器。这些元件将汲取一定量的电力/电荷并且其通过另一控制元件(例如，调节器ic)从第一电容器馈电。在一个实例中，第二电容器通过反馈二极管支持第一电容器，该反馈二极管可以为肖特基型二极管。本文档中使用的术语鞋底可以指内底或鞋中底。

系统还可以包括第三能量存储器，其适于存储从电信号获得的电能。

第三能量存储器的电容量可以大于第一和第二能量存储器的电容量，使得当运动员不得不暂停片刻时或甚至在活动之后，数据可以从系统传输至外部和远程装置，诸如智能手机、智能手表、平板计算机、个人计算机或其他装置。这是有利的，因为通过使用第一能量存储器而不冒险地同时将能量用于其他不必要的方面，诸如向远程装置的数据传输、led的操作等，可以确保降低使模块准备好所需要的时间。因此能更好地具有独立的可控制的存储器装置。第三电容器的类型可以为超级电容、薄膜锂电池或类似物。在第三能量存储器中的漏电流应该尽可能的小以将电荷保存数小时/天。例如，这可以通过对存储器装置(例如，电容器)合适的选择而获得。例如，与其他电容器相比一些电容器可以具有更低的漏电流。在一个实例中，第三能量存储器还可以在制造过程中在工厂充电。然而，可选地或另外地，它还可以在使用期间充电。在一个实例中，仅在第二能量存储器已经达到阈值电压之后加载第三能量存储器。

系统可以被设置为使得：第一能量存储器适于为处理得到至少一个运动参数提供能量，其中第二能量存储器适于为控制元件和/或射频功能提供能量，以及其中第三能量存储器适于为传输得到的运动参数提供能量。在一个实例中，如果使用三个电容器作为能量存储器，各个电容器的电容量可以如下：第一电容器：40～100μf；第二电容器：100～200μf；第三电容器：2-15mf。

当鞋子鞋底未在移动且压电元件未变形时，第三能量存储器可以适于为传输运动参数(例如，向远程装置)供应能量。作为实例，所确定的运动参数可以传输至远程装置，诸如智能手机、智能手表、平板计算机、个人计算机或其他合适的装置。在远程装置处监测所获取的数据(例如，在短暂休息期间或在锻炼之后)可能是有利和方便的。已知的解决方案不提供对数据这样方便的访问，因为装置仅在使用的同时产生可用的能量。没有用于在休息期间或在锻炼之后的至少一段时间提供足以将数据从模块传输至远程装置的能量的能量存储器。然而，此概念还可以应用于第二能量存储器。

系统还可以包括控制元件，其中该控制元件适于控制和/或监测能量存储器的能量水平。本文使用的术语“控制元件”可以指微控制器、逻辑元件、可编程逻辑元件或其他有源ic部件。在一个实例中，该系统中的主控制元件具有可编程逻辑。控制元件具有用于控制系统并且特别是模块的有利特性。例如，控制元件可以控制系统中尤其是从压电传感器到各个能量存储器的能量流动。它还可以配置为操作射频(rf)装置，例如天线。通过诸如天线的rf装置的数据传输可以定期地或不定期的发生。例如，在非周期的传输场景中，数据仅当缓冲器为满或基于特定的使用者交互(例如，通过按压按钮)被传输。特定的使用者交互还可以涉及从远程装置接收请求信号(例如，在锻炼期间或在锻炼之后)。如果不必要持续监测所测量的参数这将是有利的。不同的控制元件可以用于不同的目的，如以下将要更详细解释的。

此外，系统还可以包括至少一个功率阀，其用于控制到第一和第二能量存储器的能量流动，或者如果存在的话，控制在第一和第三能量存储器和/或在第二和第三能量存储器之间的能量流动。根据能量存储器的数量，功率阀的数量可以变化。例如，对于每个能量存储器可以有一个专用功率阀。当要使用第一能量存储器时以及当要使用第二能量存储器时，或者更一般地，当要使用任意能量存储器时，功率阀可以有利地进行控制。以此方式，可以获得对可用资源的改进操作和使用。

能量存储器可以为电容器、超级电容器、薄膜锂电池或其他类型的合适的能量存储器。当然，可以使用任意这些类型的各种组合。例如，第一能量存储器可以为电容器，且第二能量存储器可以为薄膜锂电池。以此方式，对应类型的能量存储器的不同特性和优势得以最优地利用。作为实例，第一类型的能量存储器可以快速充电但无法更长时间的保持存储的能量。另一能量存储器可能需要更长的充电时间但能够更长时间的存储能量。

系统可以通过仅使用从压电元件的电信号获取的能量进行操作。以此方式，系统是自激的并且完全独立于外部能量源。这允许提供对该系统的气密密封构造，因为无需提供对任何部件的接入或用于维护用于充电或其他目的插头的外部接口。通过密封该系统，其为防水的并且由于不需要开口(比如电池盖)，机械构造变得不复杂。这种构造的方式还允许鞋底有更简单的构造。应当注意的是，本文描述的每个实施例可以提供为气密密封构造。

压电元件可以包括至少两个压电板。通过使用一个以上的压电元件板，能够在施加力的同时建立更多的能量。由于压电元件所有的板可以变形并由此建立电信号，如果需要比由使用单个板压电元件能够建立的能量更多的能量，则可以有利地使用两个或更多的压电元件。

此外，系统可以包括用于传输从电信号获取的数据的天线。天线可以集成入模块，但它也可以设置在模块外部。在一个实例中，天线可以为柔性的并形成在鞋的内底中。通过具有外部天线，可以实现数据更好的传输。

模块可以进一步包括用于处理将要存储在其中一个能量存储器中的电信号的整流器。来自压电元件的电流为交流电(ac)，并且整流器将ac电流转换为直流电(dc)以提供给能量存储器。因此，整流器允许使用电流并且由此允许使用在两个方向上由压电元件的变形产生的电能量。

系统可以包括射频装置，其中射频装置适于向外部及远程装置和/或从外部及远程装置发射和/接收数据。在一个实例中，可以根据蓝牙低功耗(btle)标准传输数据。其他可能的传输标准可以包括：zigbee、近场通信(nfc)、蓝牙、智能蓝牙、irda、wifi、蜂窝网络标准或其他合适的标准。

系统可以包括附加的传感器以测量鞋子的特定移动，例如，用以获得距离、速度、步速、移动时间的加速度计、用于获得定向数据的陀螺仪、用以获得磁场数据的磁力计、用以测量温度的温度传感器、用以获得鞋底内特定点处的压力的压力传感器、用以获得位置和表现数据(速度、步速、距离、时间)的gps(或galileo、glonass)。可以使用传感器的不同组合。可以提供合适的控制元件，其控制相应传感器的操作并可以允许选择性地接通和断开一些或所有传感器。例如，可能并不必须频繁地测量位置或温度。由此，为了节省能量，相应控制元件可以适于控制对应的传感器的操作。

系统可以包括保存所有测量和检测的数据的存储器。所使用的存储器包括ram、rom、闪存以及本领域技术人员公知的其他类型的存储器。

系统可以包括电池，该电池与压电元件一起使用，并且如果所建立的能量不足以检测表现数据或传输这些数据，其还可以用来作为退回位置。

至少一个运动参数可以涉及以下中的一个或多个步数、节奏、加速度、速度、步速、时间、距离或事件检测(区分行走、慢跑、跑步、静止站立)。电信号可以进一步用于确定使用鞋子的持续时间。这可以通过内置计时器获得，该计时器每当检测到运动时被激活。在另一个实例中，至少一个压电元件(或加速度计/陀螺仪/磁力计)的激活时间可以被累积以确定使用鞋子的持续时间。通过使用仅基于采集能量的独立系统，使得活动相关参数的确定更为容易。

模块可以包括至少一个用于保护模块的支撑环。支撑环可以限制盖的移动以保护部件。特别地，支撑环可以防止压电元件板的过度弯曲。

模块可以包括至少一个用于驱动压电元件的压力棒。提供这样的压力棒(或短“棒”)可以在使用鞋子时有助于弯曲压电元件板。当然，棒可以具有不同的形状，诸如纵向形状、十字形状、圆周形状和其他类型的形状。还可以设想具有一个以上的棒，例如，一个在模块的顶部且一个在模块的底部以改善弯曲度。在模块顶部和底部的棒的形状可以是不同的。棒材料可以由不同的塑料、橡胶或其他合适材料制成。也可以完全不具有棒并且使用压电材料作为驱动器。

模块可以包括至少一个用于输送电信号的黄铜盖。黄铜盖可以用作不同功能。一方面它们可以在压电元件和模块的其他部件之间提供电连接。这些其他部件可以为电子部件或天线。从这个意义上讲，该至少一个黄铜盖不仅可以用作保护装置而且可以用作导电元件。也可以设想使用塑料盖或橡胶盖。如果盖的材料为非导电的，可以通过在诸如控制元件、传感器和压电元件的各种部件之间直接连接柔性导电材料(例如导线或导电带)提供电连接。此外，可以设想不使用盖。当不使用盖时，可以使用导电粘合剂。例如，导电粘合剂可以由3m公司所提供。导电带可以用于避免传统接地装置(螺钉或紧固件)。此外，它们提供增加的柔性。

至少一个模块的厚度可以小于5毫米，优选地小于3毫米。通过提供具有小于3毫米厚度的模块，模块可以容易地集成到常规内底中而不需要对鞋子其他部分进行实质性的重构。也有利地具有薄模块以便不降低鞋子对于穿戴者的舒适性。

模块可以集成到鞋子的内底、中底或外底的腔或凹部内。取决于运动员的需求、鞋子的特性和模块的数量中的一个或多个，一个或多个模块可以集成在鞋子或鞋子鞋底的不同部分内。例如，可以在内底中设置第一模块，而可以在外底或中底中设置第二模块。

模块可以放置在鞋子的鞋底内(例如，内底或中底)，以使得在踏在地面上时它们接触最大的力。模块可以布置在鞋底的后跟区域和/或前掌区域中。在鞋子和鞋子的鞋底使用期间，对应地，有些区域比鞋子或鞋子鞋底的其他部分承受更多压力。例如，在后跟区域中的压力基本上高于在中足部分中的压力。而且，在前掌区域中的压力可能高于在中足区域中的压力。哪个区域承受最高的压力还可以取决于特定活动，例如，穿戴者是否正在跑步或打篮球可以造成差异。因此，通过在鞋子鞋底中放置模块并考虑这些方面，可以获得改进的能量效率。

模块可以放置在鞋子的鞋中底内，以使得在踏在地面上时它们接触最大的力。模块可以布置在中底的后跟区域和/或前掌区域中。在鞋子和鞋子的中底使用期间，对应地，有些区域比鞋子或鞋子中底的其他部分承受更多压力。例如，在后跟区域中的压力基本上高于在中足部分中的压力。而且，在前掌区域中的压力可以高于在中足区域中的压力。哪个区域承受最高的压力还可以取决于特定活动，例如，穿戴者是否正在跑步或打篮球可以造成差异。因此，通过在鞋子中底中放置模块并考虑这些方面，可以获得改进的能量效率。

附图说明

本发明的可行实施例在以下的详细描述中参考以下附图进一步进行描述：

图1：根据一个实例的包括能量采集按钮和电子器件的内底的示意图；

图2：根据一个实例的鞋垫的俯视图；

图3：根据一个实例的能量采集按钮的示意侧视图；

图4：根据一个实例的能量采集按钮的示意图；

图5a-5g：根据一个实例的能量采集按钮及其操作的示意图；

图6：根据一个实例的能量采集按钮的侧视图；

图7：根据一个实例的能量采集按钮的概念框图；

图8：根据一个实例的内底和能量采集按钮的示意图；

图9：根据一个实例的包括各种传感器的能量采集按钮的概念框图；

图10：根据一个实例的包括能量采集按钮和若干压力传感器的内底的视图；

图11：根据一个实例的包括能量采集按钮和若干压力传感器以及附加传感器的内底的视图；以及

图12：根据一个实例的能量采集按钮的示意图。

具体实施方式

在下文中，将关于附图对本发明的示例性实施例作进一步详细的描述。尽管以下实例中的一些针对于“能量采集按钮”进行描述，应当注意到这仅仅是模块的示例性类型。本发明还可以以其他方式实施，例如，其中模块被提供为另一种类型的“能量采集”模块。因此，应当理解，所作出的对“能量采集按钮”的任何参考将不被理解为限于特定的按钮形状。

图1示出了用于鞋子的示例性内底的侧视图，该内底包括下部部件100和上部部件110。在下部部件100和上部部件110之间有三个能量采集按钮，其包括在其中布置的压电元件120、130、140。此外，在这个实例中，三个压电元件120、130、140由两个电子部件150、160控制。例如，电子部件150可以控制压电元件120，而电子部件160可以控制压电元件130、140。以下将对包括压电元件和电子部件的示例性能量采集按钮进一步详细描述。

图2是用于鞋子的内底的俯视图，其中内底包括若干能量采集按钮，能量采集按钮包括压电元件和电子部件。在这个实例中，包括压电元件210的一个能量采集按钮被放置在鞋底的后跟区域中，而包括压电元件220、230和240的三个能量采集按钮被放置在鞋底的前掌区域中。包括压电元件250的一个能量采集按钮被放置在鞋底的侧面中足区域中。此外，所示出的包括压电元件210、220、230、240、250的能量采集按钮由两个电子部件260、270控制。使电子部件比包括压电元件的能量采集按钮少是有利的，因为它减少了用于操作的电力和鞋底中必要的空间的需求。此外，每次仅使用一部分包括压电传感器的能量采集按钮和电子部件是可能的。在一个实例中，仅使用在后跟中的包括压电传感器210的能量采集按钮和电子部件260。在另一个实例中，电子部件260和270可以互连。在一个实例中，仅仅其中一个电子部件包括诸如天线的数据传输装置。这将在以下进行更详细地解释。

包括压电传感器和电子部件的能量采集按钮可以布置在鞋底中，以使得在将施加在电子部件上的力尽可能保持低的同时将最大的力施加在压电元件上。以这种方式，能够在确保来自压电元件弯曲的最优能量增益的同时保护电子装置。

图3是根据本发明的各个实施例的示例性能量采集按钮300的侧视图。此处，能量采集按钮300包括支撑环340和多个柔性印刷电路板(pcb)310。在两者之间，压电元件320可以在当力施加在它们上时变形。在能量采集按钮300中压电元件可以具有可控的行程距离330，其由支撑环340限定。

图4示出了根据本发明的各个实施例的另一示例性的能量采集按钮400(如以上所讨论的，术语“按钮”将不以限制性方式理解；相反，按钮可以具有任何合适的形状)。能量采集按钮400包括壳体405，该壳体405包括用于放置电子器件410、能量存储器(例如，电容器、超级电容器、薄膜锂电池或其他合适类型的能量存储器)和天线的区域。能量采集按钮400还可以包括防止压电元件430过度弯曲的盘元件420(例如，圆形或椭圆形)。压电元件430所放置的区域可以相对于盘元件420凸起以允许压电元件430的弯曲。压电元件430可以与能量采集按钮400的控制元件和其他元件(诸如，能量存储器(多个)、传感器(多个)或天线(多个))通过柔性电路或导电粘合剂440相连接。在一个实例中，能量采集按钮400可以通过盖子打开和闭合以便提供气密密封部件。

图5a示出了根据本发明的实例的另一示例性能量采集按钮500的横截面图。在这个实例中，能量采集按钮500包括两个盖505，一个上盖和一个下盖。盖505可以用作保护装置(例如，以提供坚固或防水的构造)。如果盖由导电材料制成，例如，黄铜或具有铜层的柔性印刷电路(fpc))和导电粘合剂，盖505还可以用作向也可以被包含在能量采集按钮500内的电子部件540输送电流和/或信号的导电元件。所示出的能量采集按钮500包括两个在能量采集按钮500的中心处的压电板510，两个都放置在陶瓷上，其中陶瓷延伸至侧面并连接至支撑环530。支撑环530限制盖505的移动并以此方式防止压电板的过度弯曲。在这个实例中，能量采集按钮500的电子部件540完全设置在能量采集按钮500内，并且仅仅将连接至外部能量存储器(例如电池)的连接件550带至外侧。可选地或附加地，可以设想将天线带至能量采集按钮500的外侧，这可以提供更好的数据传输特性。然而，取决于特定构造，天线还可以完全集成在能量采集按钮500内。此外，能量采集按钮500的上部和下部部分(盖)还可以包括一个或多个棒520。这些棒520可以从盖延伸至压电板410并由此移动和挤压压电板510。在所示实例中，具有一个棒从下侧和一个棒从上侧延伸至相应侧以及上部压电板。然而，可以设想使用其他构造。例如，棒的形状可以是不同的，或只使用单个棒替代两个。取决于其特定构造还可以使用其他数量的棒。

图5b示出了能量采集按钮500的俯视图，其中已经移除了上盖以便可以看到为压电元件和电子部件540提供保护的支撑环530。还可以看到上部的棒520，其允许弯曲压电元件(此图中未示出)。

以下的图5c至5g(所有这些图都是类似图5a的截面图)示出了能量采集按钮500的示例性操作循环。在图5c中，压力施加在能量采集按钮500上(由箭头指示)，例如，当鞋子穿戴者的脚与地面进行接触时。压力通过棒520传递到压电板510上。由于变形，电流555由每个弯曲的压电板510生成。此电流还对应于压电元件的信号。在一个实例中，此信号可以被解释为步数信号并增加脚计步器。电流随后被馈送560(图5d)到能量采集按钮500的电子部件中，作为步数信号，其可以被传输至对应的控制元件(例如，微控制器、数字逻辑或类似的部件)。此后，如关于图5e所描述的，当压力被释放(例如，当鞋子从地面提起)时，由于压电元件的形变(转换到稳定状态)，另一电流570由压电元件生成。此进一步的电流570还可以被传输560到电子部件并被进一步处理，如图5f中所示。最后，所获得的步数信号(其可能已经由能量采集按钮500的微控制器处理)可以被传输580至远程装置590(例如，智能手机、智能手表、平板计算机、个人计算机或任何其他合适的装置、服务器、云端)用于显示和/或进一步处理。本发明允许使用压电元件的信号用于传感器(例如，作为计步器)以及用于操作能量采集按钮500的电子部件，包括向远程装置的传输。以此技术，还能够检测两步之间的时间，这随后可以用来检测“空中时间”(例如，确定跳跃)，或用来检测步频(例如，步数/分钟)，或用来检测在移动期间的不同事件，意图基于至少两步之间的时间检测鞋子的穿戴者是否正在行走、跑步、慢跑、疾跑……这可以通过将信号与查找表作比较而轻易实现。此事件分类以及步数，随后可以保存在存储器中并且实时地或在锻炼(或鞋底的移动)之后被传输(通过蓝牙低功耗(btle)、zigbee、近场通信(nfc)、蓝牙、智能蓝牙、irda、wifi、蜂窝网络标准或其他合适的标准)。它可以保存在电子器件中，从而在预定时间之后，(至少暂时地)保存在存储器中的数据被传输至远程装置。该远程装置可以为智能手机、智能手表、平板计算机、个人计算机或任何其他合适的装置或服务器/云端装置。

图6是根据本发明的能量采集按钮600的实例的另一示图。能量采集按钮600包括下部和上部黄铜盖610、620。黄铜盖每个包括压力棒640，其用于在压电元件650上施加压力以便它们因变形产生电流。能量采集按钮600由支撑环630保护。由此，可以保护压电元件650免于破裂和折断。可以使用液晶聚合物(lcp)模塑制造支撑环。然而，其他类型的制造或模塑也是可以设想的并且对于本领域技术人员是公知的。为了清楚起见，在图6中省略了能量采集按钮600进一步的部分。以这种方式，可以提供自供电计步器(能量采集按钮600)，其具有集成的必要电子器件。能量采集按钮600不仅可以集成到内底中，且还可以在中底或者甚至外底中。取决于特定构造，对于能量采集按钮600可能需要腔。

图7是根据本发明的实例的能量采集按钮700的示意性框图。其示出了压电元件的双重功能，即被用于能量采集和用作传感器元件。如之前所描述的，当弯曲时压电元件705生成电流。生成的电流为交流电(ac)并且可以被传输至整流器710。整流器710将交流电转化为直流电(dc)，其随后可被用于能量管理模块720。能量管理模块720产生调节电流，其可以用于操作微控制器730和用于数据分析。此外，通过高阻抗电桥740和高阻抗比较器750，由压电元件705生成的电流可以用于步数计数或得到运动参数，电桥和比较器产生电压脉冲，电压脉冲被馈入微控制器用于随后的数据分析。高阻抗电桥740是电阻分压器。这需要具有极高的电阻以保持用于传感目的电流尽可能低。高阻抗比较器750是在两个输入中比较电压水平的部件。正常地，一个是基准电压，另一个是有效电压(诸如来自压电元件的信号)。当有效电压超过基准电压时，比较器中的输出电压变高。当有效电压低于基准电压时，比较器中的输出是较低的。

以这种方式，在能量采集按钮700中的压电元件可以用于两个不同的功能，即用于能量采集和步数计数。然而，还可以从电流得出其他类型的运动参数，诸如节奏(两个信号之间的时间表示步数)、速度(例如，当知晓平均脚长和步数时，其可以为预先定义的或由使用者定义，可以使用(通过低功耗蓝牙(btle)、zigbee、近场通信(nfc)、蓝牙、智能蓝牙、irda、wifi、蜂窝网络标准或其他合适的标准)连接至能量采集按钮700的电子器件的移动装置的帮助)和许多其他参数，如本文所描述的。本文使用的术语“移动装置”指能够通过一个或多个上述标准进行通信的便携式手持装置。移动设备包括智能手机、智能手表、平板个人计算机、移动计算机、可穿戴计算机、个人数字助理、游戏控制台、数字相机、传呼机、智能卡、移动电话、手机和音乐播放器。移动装置通常包括显示器、(虚拟)键盘、处理器和存储器。然而，取决于移动装置的类型，可能并不包括所有这些部件。与其他解决方案相比(例如，基于步数检测的加速度计)相比，本发明的能量采集按钮700允许低成本的解决方案，其具有低电流消耗，并且其构造简单：针对步数计数，根据以上所示实例的能量采集按钮700需要两个电阻器和mosfet晶体管，以及针对能量采集，根据以上所示实例的能量采集按钮700需要整流器电桥(四个二极管)和一个或多个用于能量存储的电容器。此外，为了控制部件，需要微控制器和逻辑ic。小和重量轻的能量采集按钮700可以容易地集成到鞋子的内底中(或鞋子的其他部分)。

图8示出了能量采集按钮800在符合本发明的实例的内底中的示例性实施方式。可以看出，内底805包括腔810。如本文所描述的能量采集按钮800可以放置在腔内，该腔可以使用盖子830进行封闭。以这种方式，能量采集按钮800可以容易地放置在内底中并且用于确定至少一个运动参数以及由此仅仅依赖于从压电元件采集的能量。然而，也可以设想能量采集按钮800被集成到内底中(即，不能移除)。在这个实例中，电子器件可以被模制紧靠内底的内侧。内底随后可以通过使用压电元件(通过使用产生电力的相同元件)检测和测量步数、行走和/或跑步节奏、跑步速度和/距离。还可以设想在鞋子的鞋底内使用并操作其他传感器。例如，其他传感器可以包括加速度计、陀螺仪、磁力计和/或位置传感器(例如，gps、galileo或glonass)。当然，还可以使用这些传感器的各种组合，这取决于对能量采集按钮的典型使用。例如，对于在打篮球时使用的鞋底，位置传感器与在跑步鞋子中使用的能量采集按钮相比不太必要。

本发明的能量采集按钮900的一个实施例在图9中示出。其可以包括处理器905、压电元件910(如本文所描述的)、存储器950(例如ram、rom、闪存、fram存储器或类似的其他合适的存储器类型)以及以下的至少一个或多个：能量存储器(多个)960(例如，电容器)、电池970(如以上所描述的)、收发器或发射器单元980(例如，蓝牙低功耗(btle)、zigbee、近场通信(nfc)、蓝牙、智能蓝牙、irda、wifi、蜂窝网络标准或其他合适的标准)和附加的传感器，其中至少一个传感器为加速度计920、陀螺仪930、磁力计940、压力传感器990和位置传感器995(例如，gps、galileo、glonass)中的一个。还可以使用其他类型的传感器(未示出)。应当清楚的是，本文描述的能量采集按钮并不必须包括图9中所示的所有传感器。相反，取决于相应的目的，可以仅包括这些传感器的一个或一些。

图10示出了在内底中使用本文描述的能量采集按钮1000的一个实例。能量采集按钮1000被放置在鞋底1010(例如，中底或内底)的后跟区域中，其与若干压力传感器1020a-e相结合。在这个实例中，有五个压力传感器，它们适于测量施加在前掌区域中的压力(例如，由穿戴者的脚趾产生的)。压力传感器可以由能量采集按钮1000控制和操作，能量采集按钮1000包括一个或多个用于生成能量的压电元件和用于控制压力传感器的合适的控制元件。应当注意的是，图10中的传感器和能量采集按钮1000的数目、类型和放置并不是代表性的。还可以使用其他类型的传感器，在鞋底1010(中底或内底)中的不同位置是可以设想的并且不同数目的传感器也是可能的，这取决于特定用途。可以使用的能量采集按钮1000的一个实例在图9中以附图标记900进行描述。

图11中示出了进一步的实例。可以看出，内底包括布置在鞋底1110的后跟区域中的能量采集按钮1100。类似于之前的图，五个压力传感器1120a-e布置在前掌区域中以测量前掌区域的压力，例如，由穿戴者的脚趾造成的压力。此外，有另一个压力传感器1120f，其布置在后跟区域中以测量当地面与后跟接触时由穿戴者所施加的力。附加的电子元件1130，诸如传感器(例如，位置传感器(例如，gps、glonass、galileo)、温度传感器、加速度计、磁力计、陀螺仪或其任何组合、存储器、电池)可以设置在内底的中足区域中。电子元件1130可以与内底(或中底)无法移除地紧固或可移除地紧固在内底(或、中底)内的腔(孔等)中。然而，应当注意到，相应传感器的数目、类型和位置可以变化。例如，在前掌区域中的压力传感器的数目可以减少以便测量整个前掌区域的压力(相对于由每个脚趾产生的压力而言)。

图12是根据本发明的实例的能量采集按钮1200的一个实例的另一示图。如早先已经描述的，一个或多个压电元件1205由于形变产生电信号或电流。此电流可以用于确定1210一个或多个运动参数，诸如步数检测。电流随后可以被输送至整流器1220，整流器将压电元件1205的交流(ac)信号转换为直流(dc)信号。

首先加载第一能量存储器。当第一能量存储器中的电压超过一定水平，其将对电压调节器1260(dcdc转换器/ldo调节器)供电。紧随之后，电压调节器1260将对电力管理逻辑(例如，电力管理ic)1270通电。电力管理逻辑1270的功能为，其管理在能量存储器(例如，电容器)之间的电力流动并且了解提供至微控制器1280的电压水平。在一个实例中，电力管理逻辑1270每200毫秒核查电容器1230和1235中的电压水平。取决于特定特性，用于核查电压水平的其他时间间隔也是可应用的，诸如每隔50毫秒、100毫秒、300毫秒或500毫秒。

电压水平检测方法可以与电阻电桥一起使用，该电阻电桥与连接至电容器的负载开关部件串联。还可以使用直流电压测量方法。

当电压水平超过一定限制(例如4.2伏特)时，电力管理逻辑1270检测到该超过并且将打开电容器之间的功率阀。

例如，当在第一能量存储器1230中超过电压限制时，电力管理逻辑1270将打开在第一能量存储器1230和第二能量存储器1235之间的功率阀。当功率阀打开时，电流将流动至第二能量存储器1235。与此同时，第一能量存储器1230中电压下降，并且一旦其低于一定阈值(例如4.2v)，功率阀被关闭。在第二能量存储器1035和第三能量存储器1240之间也发生相同的过程。

当第二能量存储器1235中的电压水平升得足够高时，电力管理逻辑1270检测到它并且将允许对微控制器通电。当微控制器通电时，在第一能量存储器1230和第二能量存储器1235中的电压水平开始下降。当水平低于一定阈值时，这可以由电力管理逻辑1270测量，控制信号被发送至微控制器，来启动睡眠/低功率模式。还可以以其他方式实现电力控制，例如微控制器可以将自身保持在开启状态一定时间段，此时它确切知晓消耗了来多少自能量存储器(例如，电容器)的电荷。

当微控制器处于开启状态时，电流通过电压调节器1260持续来自第一电力存储器1030。当第一电力存储器1230中的电压水平低于第二电力存储器1035的电压水平减去电力反馈元件1245(例如，肖特基二极管)阈值水平时，电流还来自于支持第一能量存储器1230的第二能量存储器1235。

微控制器1280还可以为后续数据传输操作天线1290。根据本文所描述的实例，可以以两种方式实现数据传输：第一种为由使用者在锻炼期间携带移动装置。来自能量采集按钮1200的数据被不时地被发送至移动装置。例如，数据可以实时地或以诸如50毫秒、500毫秒、1秒、5秒、10秒、30秒的间隔发送，仅当存储器满时或根据使用者的请求。当在没有移动装置的情况下使用能量采集按钮1200时，可以实现数据传输的第二种方式。数据被收集至与能量采集按钮1200连接或结合的存储器(例如，ram、rom、闪存、fram存储器或类似的其他合适的存储器类型)。在锻炼之后，这意味着在一定量的时间之后，能量采集按钮1200或传感器不再产生或接收信号，记录停止。能量采集按钮1200通过发射器或收发器连接至(例如，通过蓝牙低功耗(btle)、zigbee、近场通信(nfc)、蓝牙、智能蓝牙、irda、wifi、蜂窝网络标准或其他合适的标准)路由器、服务器计算机、计算机、如以上定义的移动装置或任何其他合适的媒介并传输在锻炼期间收集的记录数据。在这种情况下其如何工作的一个实例可以为，微控制器检测发射器/收发器信号并打开在第三能量存储器1040和电力反馈元件1250之间的功率阀。通过该方式将为数据传输提供足够的电力。来自第三能量存储器1240的电力可以通过电力反馈元件1250流动至第一能量存储器1230。

此外，来自第三能量存储器1240的电力还可以用于其他目的，比如系统的快速启动。以这种方式，能量采集按钮1200可以基于自采集的能量管理自身。然而，能量采集按钮1200被设计为具有非常低的电力消耗。以上提及的电力存储器可以为一个或多个电容器、超级电容器、薄膜锂电池或具有更低电力泄露和较小尺寸的其他合适类型的能量存储器(例如，任何电池)。微控制器和天线的固件可以用以下方式设计，当它们未被使用时处于睡眠模式。这允许更低电力消耗和对能量更有效的使用。

需要指出的是，本文讨论的各种传感器，例如关于图9所讨论的，可以与关于图12描述的能量采集按钮1200连接使用。例如，加速度计920、陀螺仪930、磁力计940、压力传感器990和位置传感器995中的任一个或组合可以与能量采集按钮1200一起使用。在一个实例中，传感器可以由控制元件1280控制，控制元件1280还适于控制能量采集按钮1200的残留，并且传感器可以如本文所描述的从能量存储器获取用于操作它们所需的电力。

尽管关于压电元件进行了以上描述，应当注意的是，还可以使用能够从机械应变产生电流的其他类型的元件来实现本发明。因此，提供自持能量采集按钮的目的还可以通过这样的其他类型的元件(例如，包括具有永久磁化的主体的电磁式元件，其配置为在线圈内移动，其中该移动由施加在元件上的压力造成)实现，该自持能量采集按钮包括一个或多个传感器，其中产生的电能被用于传感器信号和用于操作系统的能量。