快速行走鞋的製作方法

2023-06-18 13:27:36

專利名稱：快速行走鞋的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種採用分段式壓板和分級式彈簧的快速行走鞋。
現有的技術中，我國專利ZL97237565.1(設計人秦勤)具有類似的結構和作用，但其壓板為一整段，且支點與輸出軸分離。行走時彈簧釋能後，接著腳部開始下翻，由於其壓板為一整段，所以腳部下翻的角度等於壓板下翻的角度，這樣就要壓縮較長的彈簧才能使腳部下翻一個較大的角度，腳部下翻比較費力，也不太符合腳部運動的習慣，而且腳部下翻直接壓縮彈簧較長的長度會導致另一隻快速鞋過早地釋放一部分能量，造成彈簧儲能的浪費，不利於進一步提高速度和能量的高效利用。
本發明的任務是提供一種更合理的壓板結構和彈簧布置方式來解決上述不足。本發明的另一項任務是提供更為緊湊的變速機構。
實現本發明的裝置由分段式壓板、分級式儲能彈簧、單向變速機構、輸出輪、轉向機構、剎車機構、鎖定機構、支架等組成，兩腳各穿一隻。利用壓板和儲能彈簧，配合腳部的上下翻轉和重心前後移動，交替存儲和釋放重力做的功，通過變速機構轉換為單向旋轉力矩並傳遞到輸出機構，用後腳驅動的方式交替驅動人體行走。實現本發明的裝置用一個鉸鏈軸[1]將壓板分為壓板前段[2]和壓板後段[3]，並採用分別與鉸鏈軸和壓板後段相連的兩根儲能彈簧[7][8]先後分級存儲和釋放能量，使腳部下翻的角度大於壓板前段下翻的角度，這樣只要壓縮較少的彈簧就能使腳部下翻一個較大的角度，腳部下翻比較省力，符合腳部運動的習慣，並且可以推遲另一隻快速鞋釋放能量的時機，縮短了驅動力矩輸出的持續時間，減少了彈簧儲能的浪費，有利於提高速度和更高效地利用能量。實現本發明的裝置將壓板的支點[5]與變速機構的第一齒輪(齒條)[4]的內含軸承[13]的中心一起合併在輸出軸[14]的軸線上，使得快速行走鞋的結構更為緊湊。下面結合附圖和具體實施方案對本發明進行詳細的說明

圖1是實現本發明的實例裝置的腳部下壓過程中的側剖圖(以變速機構的第一齒為準)圖2是實現本發明的實例裝置的腳部下壓過程中的水平剖面圖(以輸出軸中心為準)壓板在靠近中間的位置被一個鉸鏈軸[1]分為前後兩段。壓板前段[2]與變速機構的第一齒輪(齒條)[4]固連，壓板的支點[5]與第一齒輪(齒條)的內含軸承[13]的中心合併在輸出軸[14]的軸線上；壓板後段[3]比前段略寬略高並通過鉸鏈軸與前段連接，後段還附加了用於固定普通鞋的後擋板[23]和綁帶[24]，後擋板可以前後調整，綁帶可以調節鬆緊，用於適應不同鞋碼的變化。鉸鏈軸的作用類似與腳踝下壓時壓板後段可先與前段向下翻轉一個角度(0至30度)，直到壓板後段壓住壓板前段的前伸部分，然後後段帶動前段下壓，直到壓板後段接觸到壓板下壓限位軸承[15]，當重心移至腳掌時，壓板後段的前伸部分壓住壓板前段，壓板前後段呈一夾角(0至30度)，接著腳部後蹬、後跟上提，使壓板後段帶動前段上翻，壓板上翻結束後，腳部重新下壓後段，而前段在與鉸鏈軸相連的彈簧[7]的作用下繼續上翻，直到其延伸段接觸到壓板後段，此後壓板壓板後段帶動前段下壓。
分別與鉸鏈軸和壓板後段相連的兩根儲能彈簧[7][8]先後分級存儲和釋放能量，它們的下端連接支架[26]。儲能彈簧具有使壓板復位的功能，從而維持壓板上下往復翻轉；儲能彈簧存儲和釋放能量，從而將快速鞋對重力做功的利用分布在整個行走過程，方便了能量的合理利用和控制，這種分級存儲和釋放能量的彈簧布置方式能夠更好地配合壓板的分段，使得快速鞋能夠在速度較低、腳部後蹬後跟上提的時候集中釋放能量，並通過後蹬動作將驅動傳遞前腳，既符合行走習慣、能整體驅動人體前進，又在一定程度上幫助後腳提速超越前腳、使行走更輕鬆更省力，從而提高了人體在行走和站立時的舒適性和安全性，還有助於推遲彈簧釋能的時機、使得彈簧的釋放時間更短、力量更強大更集中。
單向變速機構包含了一個超越離合器[9]，超越離合器具有單向傳遞力矩的作用，它的中部為星輪[10]，固連在變速齒軸[12]上，外緣[11]為齒並與輸出軸齒[27]嚙合；變速齒軸的軸齒[28]與第一齒輪(齒條)嚙合，第一齒輪(齒條)通過內含軸承與輸出軸隔離。運動時情況如下A壓板上翻帶動第一齒輪(齒條)「正向轉動」、帶動變速齒軸「反向轉動」、同時超越離合器的星輪「反向轉動」並超越了外緣的轉動速度時，帶動外緣「反向轉動」、最後帶動輸出軸「正向轉動」、從而對輸出軸有「正向」驅動作用；B壓板下壓帶動第一齒輪(齒條)「反向轉動」、帶動變速齒軸「正向轉動」、同時超越離合器的星輪「正向轉動」(這時超越離合器的外緣正在隨著輸出軸的「正向轉動」慣性而「反向轉動」)、由於超越離合器具有單向傳遞力矩的作用，此時星輪「正向轉動」並不會帶動外緣「正向轉動」，所以也不會帶動輸出軸「反向轉動」；C壓板靜止時，星輪靜止，由於超越離合器具有單向傳遞力矩的作用，這時超越離合器的外緣只是隨著輸出軸的「正向轉動」慣性而「反向轉動」。
通過以上A、B、C三種情況的分析可以看出含有超越離合器的變速機構將壓板上下往復翻轉轉換為單向旋轉力矩，並保持行走時的前進慣性的持續性，還使快速鞋具有一定的防後滑能力，可用於長距離爬坡。而且變速機構將壓板前段上翻放大為輸出軸近四周(變比為16時)的旋轉角度，從而驅動固連在輸出軸上的輸出輪使快速鞋產生一個較長的驅動距離。變速機構對旋轉角度的放大倍數等於對旋轉力距的縮小倍數，稱為變比。
本實例選用直徑10cm的實心輪胎作為輸出輪[17]，輸出輪與輸出軸[14]固連，選用直徑10cm是因為要抬高支架，使之與地面的距離較大，以便適應較差的路況。選用實心輪胎是因為便宜、耐用。
支架[26]上連接著變速箱[25]、儲能彈簧[7][8]、轉向機構、剎車機構、鎖定機構、壓板下壓限位軸承支架以及鞋體外殼等部件。
轉向機構選用雙輪獨立轉向方式，由兩隻獨立的轉向輪[16](即後輪，內含軸承)、輪軸[33]、轉向軸[35]、轉向支架[34]等構成。轉向輪通過輪軸連接轉向軸和轉向支架、轉向支架固定在鞋底支架[26]上。轉向機構利用腳部通過鞋體對地面的側壓導致轉向軸轉動、轉向輪水平偏轉而實現轉向，使快速鞋能夠在人體的控制下繞過障礙或改變行走方向，提高了行走的安全性和靈活性。
剎車機構選用對前輪摩擦並通過兩隻鞋的碰撞擠壓獲得制動力的方式，由擠壓柄[30]、摩擦塊[29]、復位彈簧[32]、支撐件[31]等構成。擠壓柄位於鞋體內側，可通過兩隻鞋的碰撞擠壓獲得制動力、將摩擦塊壓向前輪內鋼圈[18]並與之接觸摩擦；剎車或減速動作結束後由復位彈簧實現自動復位功能。剎車機構實現了人體對減速和剎車的控制。
鎖定機構為手鎖半鎖定方式，鎖定時將壓板與支架相連，禁止了快速行走鞋的快速行走功能，但保持了快速行走鞋的慣性前滑。由鎖定鏈[19]、鎖定鉤[20]、鎖定孔[22]、鎖定掛架[21]等構成。鎖定鏈連接在壓板後段的尾端、另一端連接鎖定鉤、鎖定時通過手鎖操作將鎖定鉤掛接在鎖定孔上[22]、鎖定孔在支架上，行走時鎖定鉤掛接在壓板後段的尾部的鎖定掛架上[21]。鎖定機構保證了快速行走鞋在不能或不必快速行走時禁止其快速行走功能，使之適用於不同的場合。
以下對本發明實例的原理和效果進一步說明人體行走特點是雙腳交替處於支撐和超越兩種狀態，每隻腳通過下壓由超越狀態向支撐狀態過渡，支撐時重心由腳跟向腳尖移動；每隻腳通過後蹬和提腳(簡稱上翻)由支撐狀態向超越狀態過渡，上翻過程迅速。
針對以上特點，在上翻過程輸出一個驅動力有以下好處A重心已移至腳尖且腳跟有上提動作，壓板上翻有利；
B上翻過程迅速，有利於更集中地輸出驅動力；C通過上翻過程伴隨的後蹬動作可以將驅動力傳遞到前腳，克服整個重量體系的滾動摩擦阻力，實現整體驅動，並保持行走習慣；D處於行走周期中的速度下限，此時集中輸出驅動力對提高整個重量體系的速度最有利。
為了便於說明，定義以下概念A重力矩ML，重力矩等於重力M乘以重力作用點與壓板支點之間的距離L，隨著重心的前移L減小，所以作用在壓板上的重力矩在下壓時較大、上翻時最小；B彈簧儲能，彈簧儲能等於重力下壓通過壓板導致彈簧形變所累積的彈性勢能；C上翻力矩FS，上翻力矩等於彈力F乘以彈力作用點與壓板支點之間的距離S加上提腳動作的附加上翻力矩fs；D輸出力矩GS，輸出力矩等於上翻力矩FS除以變速機構的變比n；E阻力矩GR，阻力矩等於滾動摩擦阻力矩gr加上上翻時的重力矩ml除以變速機構的變比n之後的值。
本實例的驅動效果分析本實例的典型參數為M=50kg,L(平均值)=20cm,ML=M*L=1000kgcm；S=18cm,F(平均值)=30kg,fs=200kgcm,FS=F*S+fs=740kgcm；n=16,GS=FS/n=46.25kgcm；gr=20kgcm(實心輪胎、泥土路面)，ml=200kgcm,GR=gr+ml/16=32.5kgcm；可見輸出力矩GS的平均值大於阻力矩GR，能夠驅動人體前進，其原因在於隨著重心的前移，作用在壓板上的重力矩，在下壓時較大(ML)上翻時最小(ml)。應當注意上翻力矩FS在上翻過程中是逐漸減小的，以上是使用平均值作的大致分析。要使上翻過程保持較大的上翻力矩就要增加彈簧儲能，這會使下壓力增加，彈簧釋能提前，釋能時間延長，反映出增大驅動力與速度上的矛盾。在特定的變比條件下，利用分段式壓板和分級式彈簧能夠有效地緩解這一矛盾，使得下壓較輕鬆，並推遲了彈簧釋能時機，縮短了彈簧釋能時間，從而提高了行走速度。
本實例在中速行走時的效果分析本實例選用直徑10cm的實心輪胎作為輸出輪，按照人體習慣的上翻50度計算的上翻驅動距離為70cm(50*16*10*3.14/360=70)。步行周期定義為單腳狀態的一次完整變化，即通常所說的兩步。對於穿著本實例，中速行走的步行者，步行周期行進距離為2*(單步跨度60cm+上翻驅動距離70cm+支撐腳慣性滑動距離110cm)=480cm。步行周期約1.2秒，則行走速度為每秒4米，時速為14.4公裡。如果選用充氣輪胎或使用的路面更好，可以大幅度提高變比(＞16)，從而獲得更高的速度。[完]
權利要求
1．兩腳各穿一隻的助行交通工具，由鞋體和鞋輪組成，其特徵在於還包括了分段式壓板、分級式儲能彈簧、單向變速機構、輸出機構、轉向機構、剎車機構、鎖定機構、鞋底支架等，利用壓板和儲能彈簧，配合腳部的上下翻轉和重心前後移動，交替存儲和釋放重力做的功，通過變速機構轉換為單向旋轉力矩並傳遞到輸出機構，用後腳驅動的方式交替驅動人體行走。
2．根據權利要求1的快速行走鞋其特徵在於壓板被鉸鏈軸[1]分為壓板前段[2]和壓板後段[3]，壓板前段與變速機構的第一齒輪(齒條)[4]固連，壓板支點[5]在輸出軸[14]軸線上，壓板前段從鉸鏈軸開始向後略有延伸，壓板後段通過鉸鏈軸與壓板前段連接，壓板後段從鉸鏈軸開始向前略有延伸，壓板後段承載腳底或普通鞋[6]，壓板前後段相對翻轉的角度被限制在0至60度範圍。
3．根據權利要求1的快速行走鞋其特徵在於利用分別與鉸鏈軸和壓板後段相連的兩根儲能彈簧[7][8]分級存儲和釋放能量，儲能彈簧還具有使壓板復位和減震的作用。
4．根據權利要求1的快速行走鞋其特徵在於變速機構包含了一個超越離合器[9]，超越離合器具有單向傳遞力矩的作用，將壓板上下往復翻轉轉換為單向旋轉力矩，並保持了行走時的前進慣性的持續性。
全文摘要
本發明涉及一種自行交通工具,稱為快速行走鞋。兩腳各穿一隻,利用分段式壓板和分級式儲能彈簧,配合腳部的上下翻轉和重心前後移動,交替存儲和釋放重力做的功,通過變速機構轉換為單向旋轉力矩並傳遞到輸出機構,用後腳驅動的方式交替驅動人體行走。該快速行走鞋比自行車攜帶方便,有自行驅動能力和速度控制機構,採用分段式壓板和分級式儲能彈簧,提高了行走的舒適性和安全性,在符合人體行走習慣的同進實現了快速安全的行走。
文檔編號A43B5/00GK1303642SQ0011261
公開日2001年7月18日 申請日期2000年1月11日 優先權日2000年1月11日
發明者秦勤 申請人:秦勤