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CN102177647A - 脚供电的鞋嵌入式传感器收发器 - Google Patents

脚供电的鞋嵌入式传感器收发器 Download PDF

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CN102177647A
CN102177647A CN2009801403632A CN200980140363A CN102177647A CN 102177647 A CN102177647 A CN 102177647A CN 2009801403632 A CN2009801403632 A CN 2009801403632A CN 200980140363 A CN200980140363 A CN 200980140363A CN 102177647 A CN102177647 A CN 102177647A
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CN
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energy
footwear
hull cell
energy storage
transducer
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CN2009801403632A
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J·A·基廷
T·N·布拉多
R·R·约翰逊
P·B·纳拉亚南
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Infinite Power Solutions Inc
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Abstract

公开了向行人提供信息的用户供电装置、系统及方法。本发明收集由移动的行人所产生的能量，并获取收集的能量，且将其用于对嵌入到同一鞋中的储能装置进行再充电。还可将微控制器和传感器、以及发射器/接收器机构构建在鞋中，由该发射器/接收器机构将信号发射至或接收自腕表、iPod蜂窝电话机、和/或行人身上的任何便携式装置。鞋可以能够接收由便携式装置或GPS人造卫星发射的信号。GPS人造卫星可提供关于行人地理位置的信息。因为储能装置可为柔性的，其可经受弯曲量大的鞋。能量收集器可从行人的脚步或一些其它源收集能量，并对储能装置进行再充电，从而不需要更换作为鞋的整合且不可分离的部分的储能装置。

Description

脚供电的鞋嵌入式传感器收发器
相关申请
本申请与2008年10月8日提交的题为“脚供电的鞋嵌入式传感器收发器(Foot-Powered Footwear-Embedded Sensor-Transceiver)”的美国临时专利申请S/N 61/103,756相关，且根据35U.S.C.§119要求其优先权，该申请的全部内容通过引用结合于此。
本申请与2006年11月17日提交的题为“混合式薄膜电池(Hybrid Thin-Film Battery)”的美国专利申请S/N 11/561,277、2007年3月16日提交的题为“金属膜封装(Metal Film Encapsulation)”的美国专利申请S/N 11/687,032、2007年5月14日提交的题为“集成电路或电路板上的薄膜电池及其方法(Thin Film Battery on an Integrated Circuit or Circuit Board and Method Thereof)”的美国专利申请S/N 11/748,471、2008年8月11日提交的题为“具有用于电磁能收集的组成采集器表面的能量装置及其方法(Energy Device with Integral Collector Surface for Electromagnetic Energy Harvesting and Method Thereof)”的美国专利申请S/N 61/087,927、以及2008年9月12日提交的题为“具有用于电磁能收集的组成采集器表面的能量装置及其方法(Energy Device with Integral Collector Surface for Electromagnetic Energy Harvesting and Method Thereof)”的美国专利申请S/N 61/096,415相关，它们各自的全部内容通过引用结合于此。
技术领域及背景技术
本发明涉及一种用于交换数据的装置、方法和系统。更具体地，本发明涉及鞋嵌入式装置，其可通过从步行或跑步的行人对鞋的使用中收集能量来供电，且所述能量可被存储和/或被转换成用于传输信息的通信信号。
随着电子装置变得更小且更耐用，已进步到将电气装置集成到能够穿在人体上的衣服或其它附件中。这种应用的一些示例包括：包含发光二极管的鞋、滑雪橇和滑雪板靴子加热装置、具有用于电话机或MP3播放器的控制面板的夹克、以及包含持续心率监控装置的衣服。
现有技术要求电子装置具有用于操作的能源。该能源典型为电池，其可嵌入到电子装置内并配置成单次使用、配置成可更换、或配置成可再充电。这些现有选项均有缺点，因为一旦电池被放电或被破坏，该嵌入的电池可使相关联电子装置不再有用，可更换电池要求附加空间和材料以支持电池，且外部可再充电电池要求附加材料以用于连接插头和电池充电器。这些选项均不理想，因为消费者、尤其运动员往往需要更轻且没有附加电源线的装置和衣服。
因此，存在的要求为一种不包括大电池，且例如可以能够产生其自身的能量的可穿戴的电子装置。
某些运动竞赛要求严格的训练，其要求运动员跟踪特定统计数字以便达到最优成绩。举例而言，用于希望参加马拉松比赛的人的现有训练手册强烈推荐受训人员至少记录他们训练时的心率、步伐、所取的路线、距离、时间、以及天气条件。通过这种记录，马拉松受训人员可保持集中于达到已为他们设定的基准以便确保他们实现其目标比赛速度。
因此，存在的要求为在针对诸如马拉松的竞赛进行训练时获得相关于其身体性能的所有可能数据片断。
用于军事人员的情况下，监控地点、物理条件、地面条件、以及天气条件以确保在本国和国外的军队的安全是重要的。军事人员需要在极少或没有事先注意的情况下能够得到的所有与其周围环境有关的信息。
因此，存在的要求为使与军事操作相关的所有数据可在任何时候易于存取。
发明内容
行人在他或她每次行走、慢跑、或跑步时向例如鞋施加能量，其呈现通过将能量收集装置结合到例如鞋中来利用所消耗能量的一小部分的机会。取决于应用，所收集的能量可即时被使用，或者存储在诸如电池的组件中并在定义的时间间隔使用或者由远程装置请求时使用。
本发明的某些示例性实施例的一个目的在于，使用诸如压电机构的能量收集器以收集来自穿鞋行人的脚步的能量并将该能量用于对诸如电池的装置进行充电，该装置被设置成为，例如，鞋的一个完整和/或不可分部分。
本发明可包括例如微控制器、功率管理单元、信号发射器、信号接收器、薄膜电池、以及能量收集器的独特排列。在一些实施例中，能量收集器可以是将动作/振动能量转换成电能的压电传感器，其中该经转换的能量可用于对电池进行再充电，由此向信号接收器/发射器供电。在另一实施例中，压电机构可执行双重功能，作为转换器将动作能量转换成电能且还作为步程计。
本发明的某些实施例还包括在具有发射器的系统中，该发射器用于将消息发射到外部接收器。该系统还可具有可能被微控制器监控的传感器。来自传感器的某些信号可被微控制器处理，且经处理的信息可发射到位于行人身上或位于远程(诸如沿着行人跑道的路径布置或是在人造卫星上)的接收器。
在本发明的另一实施例中，便携式接收装置可处理所接收的信息，且然后向鞋发回信号，引导其采取适当的行动。举例而言，如果已走步数达到特定数，便携式装置可向鞋发送信号以使其更柔软或更僵硬。
在本发明的不同实施例中，鞋可向GPS人造卫星发射信号以确定穿鞋的行人的地理位置。在本发明的另一实施例中，GPS人造卫星可向鞋发回信号以引导穿鞋的行人采取不同路线或作出任何其它通知。
为了该申请中的所改进的性能，还公开薄膜电池的制造工序，该薄膜电池具有用于将该电池单元结合到印刷电路板的具有压力弹性的热分隔层(heat and pressure-resilient separation layer)。
附图简述
参考某些优选实施例的附图来描述本发明的一些特征和优点，其旨在说明而非限制本发明。
包括于此以提供对本发明的进一步理解、并被结合在本说明书中且构成其一部分的附图示出本发明的示例性实施例，其与说明书一起用来解释本发明的原理：
图1是示出使用该装置的行人的本发明实施例的框图。
图2是具有根据本发明实施例嵌入的该装置的鞋制品的详细视图。
图3是示出该装置的子组件的本发明实施例的框图。
图4是示出该装置的逐步构造的本发明实施例的框图。
具体实施方式
要理解本发明不限于在此所描述的特定方法学、混合物、材料、制造技术、用途、以及应用，因为这些可有变化。还要理解本文中所使用的术语仅出于描述特定实施的目的，而不旨在限定本发明范围。必需注意到，如本文以及所附权利要求书中所使用地，单数形式的“一”、“一个”以及“该”包括复数引用，除非上下文另外明确地指出相反情况。因此，举例而言，提及“一元件”是对一个或多个元件的提及，且包括本领域普通技术人员所知的其等效物。类似地，举另一示例，提及“一步骤”或“一手段”是对一个或多个步骤或手段的提及，且可包括子步骤或从属手段。所使用的所有连接词要以可能的最大涵盖方式来理解。因此，词语“或”应当理解为具有逻辑“或”的定义而非逻辑“异或”的定义，除非在上下文中另外明确指出相反情况。本文中所描述的结构也要理解为提及这种结构的功能性等效物。可解释为表示近似的语言应当如此理解，除非上下文中另外明确指出相反情况。
除非另外定义，否则在本文中所使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的一名普通技术人员所通常理解相同的含义。描述了优选方法、技术、装置和材料，但是在本发明的实践或测试中可使用与那些所描述的相似或等效的任何方法、技术、装置、或材料。本文中所描述的结构也要理解为提及这种结构的功能性等效物。
通过引用结合于本文中的所有专利和其它出版物出于描述和公开的目的，举例而言在这种出版物中描述的方法学可与本发明相结合而使用。在本发明的申请日之前，这些出版物单独地提供其公开内容。在这一点上不能解释为承认发明人不具备资格通过现有发明功效或者出于任何其它原因预料这种公开内容。
图1示出本发明实施例的总体图。在该图中存在具有便携式电子装置100的行人110和GPS人造卫星120。该行人穿着具有嵌入于其中的装置的鞋130。当行人110行走、慢跑、跑步或以另外方式迈步时，动作在鞋上施加压力，该压力转换为有用能量。转换由位于鞋130内的能量收集装置进行。然后，鞋130中的装置可例如发送信号至便携式电子装置100，该便携式电子装置100可处理该信息并将其存储或发回信息至鞋130，以使鞋130自己可执行一些行动。行人100可戴着耳机，通过该耳机以听得见的消息形式可向行人110给出由便携式装置100接收的任何信息。该装置还可接收来自GPS人造卫星120的信号以便可以确定行人110的地理位置，可指令行人110采取另外的路线，或者可提供给行人110其它相关信息。
图2示出本发明的另一优选实施例，鞋130包含嵌入的微控制器电路、能量收集机构250、功率管理单元、以及储能装置240。虽然未示出，本发明的一些实施例可具有信号发射器和/或信号接收器，其可能被集成到或者分离地连接至本发明。当集成或分离地连接时，发射器可从鞋装置发送信号至诸如便携式电子装置的外部接收器。接收器可获得信息，由此指令鞋130或行人采取某种行动。当集成在装置内时，该接收器可从一个或多个GPS人造卫星接收信号，以便可以确定行人的地理位置。在一些实施例中，该能量收集器250是压电盘，但还可以是射频换能器，或者是可将太阳能、风能、振动、诸如行走或慢跑的行人动作、水的流动、温度变化或旋转运动转换成诸如电的可用高能量的装置。可为薄膜电池的储能装置240可用于存储所收集的能量，以使其在一些预定时间使用，或由远程装置请求时使用。在若干实施例中，薄膜电池可包含金属锂阳极。在一些实施例中，薄膜电池可在其寿命期间的一些时刻不包含金属锂阳极，而是Li离子或无Li的薄膜电池。
图2示出一特定实施例，在该实施例中功率管理单元和储能装置240位于鞋130的脚后跟部的背面上，且微处理器和能量收集机构250位于鞋130的脚趾部的正面上。嵌入的微处理器电路、能量收集机构250、功率管理单元和储能装置240可位于鞋130的其它位置中。在本发明的一些实施例中，功率管理单元、储能装置240、微处理器、以及能量收集机构250结合到一个模块中，以使它们可作为单元一起放置在鞋130的任何位置中。
图3示出在鞋130实施例内发生的具体过程。由于行人穿着鞋130行走而产生的机械能300可由能量收集模块350来控制。然后所收集的能量在功率管理单元340的监控和调节下对可再充电储能装置340进行再充电或可只是存储在储能装置340内。储能装置340可存储能量，且需要时，取决于是否发出、接收或发出和接收信号而给微控制器370和发射器和/或接收器380供电。
图4示出可用于在柔性衬底上构造本发明实施例的步骤。该示例的步骤400开始自使用储能装置，其在示例性实施例中以薄膜电池示出，作为构造的中央元件。步骤410将柔性衬底粘附并电连接至储能装置。步骤420可为向柔性衬底添加发射器/接收器机构，随后进行步骤430以将微控制器放置到柔性衬底上并将微控制器连接至发射器/接收器机构。最后步骤440可为向柔性衬底添加能量收集机构和功率管理单元。
除了诸如电池或薄膜电池的电化学储能装置之外，储能组件可以是诸如电容器或者薄膜电容器的电气储能装置，但还可以是例如惯性轮(flywheel)、微惯性轮、微机电系统(MEMS)或者机械弹簧的机械储能装置。储能组件还可以是诸如压电元件或电磁元件的机电装置，其类似于在题为“用于环境能电池或电容器再充电系统的方法和装置(Method and Apparatus for an Ambient Energy Battery or Capacitor Recharge System)”的美国专利No.7,088,031公开的发明，其全部内容通过引用结合于此。储能组件还可以是诸如热质容器的热能储能装置，或者其可以是例如具有氢容器的氢发生器或者具有臭氧容器的臭氧发生器的化学储能装置。这些装置的每一个可根据系统的一个或多个示例性元件用来存储能量。还可提供能量收集器，其可包括，例如，用于将特定类型的环境能转换成电能的装置，然后可将该电能存储在诸如电池或电容器的电化学存储装置中。
在一些实施例中，鞋中的系统包含传感器360，该传感器360可通过发射器向便携式装置发射信号。在一些实施例中，便携式装置可以是腕表，但还可以是个人数字助理或蜂窝电话。便携式装置还可以是iPodMP3播放器或其它数字音频播放器或以上的组合，且甚至可以从一个或多个GPS人造卫星接收信号。
在一些实施例中，一个或多个传感器可测量任何数量的不同物理品质。在一些实施例中，一个传感器可测量天气，在该情形下该传感器可以是，例如，用于测量温度的温度计、用于测量湿度的液体比重计、用于测量风速或风压的风力计、或用于测量大气压力的气压计。气压计与微处理器的组合可以能够检测压力改变，并预测天气变化以及向行人提供警告。在若干实施例中，一个传感器可用于测量压力并确定高度的改变。在一些实施例中，一个传感器还可测量行人的速度，诸如通过使用加速计。
储能装置为薄膜电池的一些实施例中，薄膜电池可具有不超过1cm的厚度和可小于10平方英寸的侧面积。在另一实施例中，薄膜电池的侧面积可小于0.25平方厘米。
在一些实施例中，薄膜电池可具有压力弹性的热分隔层，其目的为将电池单元结合到印刷电路板制造工序中。
在若干实施例中，储能装置是例如薄膜电池的可再充电装置，其将呈现一可能性，由此本发明可能能够接近无限长地工作。本发明可允许通过行人行走或进行任何其它类型的动作来产生的能量被收集在能量收集机构中，且允许该收集的能量用于确保可再充电储能装置被相应地充电。
在一些实施例中，便携式储能装置可处理所接收的信息，且然后向鞋发回信号以使其采取适当的行动。适当的行动可包括，例如，便携式电子装置向鞋发送信号以使其变得更僵硬或更柔软，以便于在已完成特定步数后放松脚。
在一些实施例中，鞋可从一个或多个GPS人造卫星接收信号以确定穿着鞋的行人的地理位置、方向、以及速度。在另一实施例中，与所存储的地图相结合，GPS人造卫星可向鞋发回信号以给穿着鞋的行人指令，该指令为，例如，要采取不同路线。
本文已根据若干实施例描述本发明。很显然，存在许多可包含由本发明各实施例所增强的陶瓷性能的替代和变体而不背离其精神和范围。上述实施例仅为示例性。本领域普通技术人员可认识到本文详细描述的实施例的变体意味着落入本发明的范围。因此，本发明仅由以下权利要求来限制。因此，本发明旨在涵盖本发明的所有这些修改，只要它们落在所附权利要求书及其等效方案的范围中即可。

Claims (27)

1.一种装置，包括：
适配成与动物相关联的附件；
嵌入在所述附件内的能量收集机构；
连接至所述能量收集机构的储能装置；
连接至所述储能装置的功率管理单元；以及
连接至所述储能装置的微处理器。
2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述动物包括选自以下组的任何生物体：鱼类、两栖动物、爬虫动物、鸟类、哺乳动物、有袋动物、灵长类动物、啮齿动物、鲸类。
3.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述附件包括选自以下组的任何制品：鞋、凉鞋、拖鞋、靴子、高山滑雪橇、滑水橇、水橇板、滑雪板、四轮滑冰鞋、直排滑冰鞋、雪橇、蹄铁(horse shoe)、马鞍、马具、皮带(leash)、颈圈。
4.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接至所述微处理器的至少一个传感器。
5.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接至所述微处理器的至少一个信号发射器。
6.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括连接至所述微处理器的至少一个信号接收器。
7.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述能量收集机构包括选自以下组的任何装置：压电换能器、射频换能器、太阳能电池、风轮机、振动能量清除器(scavenger)、水流至电能转换器、旋转运动至电能转换器、以及温度变化至电能转换器。
8.如权利要求4所述的装置，其特征在于，所述至少一个传感器包括选自以下组的任何装置：高度计、压力计、温度计、气压计、液体比重计、加速计、风力计。
9.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能装置包括选自以下组的任何装置：电池、薄膜电池、电容器、薄膜电容器、电磁元件、压电元件、热质容器、惯性轮、微惯性轮、微机电系统(MEMS)、机械弹簧、具有氢容器的氢发生器、以及具有臭氧容器的臭氧发生器。
10.如权利要求1所述的装置，其特征在于，还包括：连接至所述能量收集机构的能量转换组件。
11.如权利要求1所述的装置，其特征在于，所述储能装置包括薄膜电池，所述薄膜电池的总厚度不超过1厘米。
12.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池的侧面积不超过10平方英寸。
13.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池的侧面积不超过0.25平方厘米。
14.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池包含具有压力弹性的热分隔层。
15.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池包含金属锂阳极。
16.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池内的电活化元素包括锂。
17.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池包含锂离子电池。
18.如权利要求11所述的装置，其特征在于，所述薄膜电池包含无锂电池。
19.如权利要求5所述的装置，其特征在于，所述信号发射器向便携式装置发射消息。
20.如权利要求6所述的装置，其特征在于，所述信号接收器适配成接收GPS信号。
21.如权利要求20所述的装置，其特征在于，所述信号接收器接收来自便携式装置的消息。
22.如权利要求21所述的装置，其特征在于，所述便携式装置包括选自以下组的任何装置：腕表、iPod
Figure FPA00001347415400031
MP3播放器、计算机、蜂窝电话机、以及个人数字助理。
23.一种用于交换与移动动物相关联的信息的方法，包括：
将能量转换成有用形式；
存储所述有用形式的能量；
用所存储的能量给处理单元供电；以及
用至少一个传感器监控至少一个参数。
24.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
向所述处理单元传送监控的参数；
将所监控参数处理成用户数据；以及
发射所述用户数据。
25.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
从一个或多个GPS人造卫星接收GPS信号；
根据所述GPS信号确定位置信息；以及
发射位置信息。
26.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
向便携式装置发射信号。
27.如权利要求23所述的方法，其特征在于，还包括：
从便携式装置接收信号；
将所述信号处理成用户数据；
发射所述用户数据。
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