专利名称：快速行走鞋的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种采用分段式压板和分级式弹簧的快速行走鞋。
现有的技术中，我国专利ZL97237565.1(设计人秦勤)具有类似的结构和作用，但其压板为一整段，且支点与输出轴分离。行走时弹簧释能后，接着脚部开始下翻，由于其压板为一整段，所以脚部下翻的角度等于压板下翻的角度，这样就要压缩较长的弹簧才能使脚部下翻一个较大的角度，脚部下翻比较费力，也不太符合脚部运动的习惯，而且脚部下翻直接压缩弹簧较长的长度会导致另一只快速鞋过早地释放一部分能量，造成弹簧储能的浪费，不利于进一步提高速度和能量的高效利用。
本发明的任务是提供一种更合理的压板结构和弹簧布置方式来解决上述不足。本发明的另一项任务是提供更为紧凑的变速机构。
实现本发明的装置由分段式压板、分级式储能弹簧、单向变速机构、输出轮、转向机构、刹车机构、锁定机构、支架等组成，两脚各穿一只。利用压板和储能弹簧，配合脚部的上下翻转和重心前后移动，交替存储和释放重力做的功，通过变速机构转换为单向旋转力矩并传递到输出机构，用后脚驱动的方式交替驱动人体行走。实现本发明的装置用一个铰链轴[1]将压板分为压板前段[2]和压板后段[3]，并采用分别与铰链轴和压板后段相连的两根储能弹簧[7][8]先后分级存储和释放能量，使脚部下翻的角度大于压板前段下翻的角度，这样只要压缩较少的弹簧就能使脚部下翻一个较大的角度，脚部下翻比较省力，符合脚部运动的习惯，并且可以推迟另一只快速鞋释放能量的时机，缩短了驱动力矩输出的持续时间，减少了弹簧储能的浪费，有利于提高速度和更高效地利用能量。实现本发明的装置将压板的支点[5]与变速机构的第一齿轮(齿条)[4]的内含轴承[13]的中心一起合并在输出轴[14]的轴线上，使得快速行走鞋的结构更为紧凑。下面结合附图和具体实施方案对本发明进行详细的说明
图1是实现本发明的实例装置的脚部下压过程中的侧剖图(以变速机构的第一齿为准)图2是实现本发明的实例装置的脚部下压过程中的水平剖面图(以输出轴中心为准)压板在靠近中间的位置被一个铰链轴[1]分为前后两段。压板前段[2]与变速机构的第一齿轮(齿条)[4]固连，压板的支点[5]与第一齿轮(齿条)的内含轴承[13]的中心合并在输出轴[14]的轴线上；压板后段[3]比前段略宽略高并通过铰链轴与前段连接，后段还附加了用于固定普通鞋的后挡板[23]和绑带[24]，后挡板可以前后调整，绑带可以调节松紧，用于适应不同鞋码的变化。铰链轴的作用类似与脚踝下压时压板后段可先与前段向下翻转一个角度(0至30度)，直到压板后段压住压板前段的前伸部分，然后后段带动前段下压，直到压板后段接触到压板下压限位轴承[15]，当重心移至脚掌时，压板后段的前伸部分压住压板前段，压板前后段呈一夹角(0至30度)，接着脚部后蹬、后跟上提，使压板后段带动前段上翻，压板上翻结束后，脚部重新下压后段，而前段在与铰链轴相连的弹簧[7]的作用下继续上翻，直到其延伸段接触到压板后段，此后压板压板后段带动前段下压。
分别与铰链轴和压板后段相连的两根储能弹簧[7][8]先后分级存储和释放能量，它们的下端连接支架[26]。储能弹簧具有使压板复位的功能，从而维持压板上下往复翻转；储能弹簧存储和释放能量，从而将快速鞋对重力做功的利用分布在整个行走过程，方便了能量的合理利用和控制，这种分级存储和释放能量的弹簧布置方式能够更好地配合压板的分段，使得快速鞋能够在速度较低、脚部后蹬后跟上提的时候集中释放能量，并通过后蹬动作将驱动传递前脚，既符合行走习惯、能整体驱动人体前进，又在一定程度上帮助后脚提速超越前脚、使行走更轻松更省力，从而提高了人体在行走和站立时的舒适性和安全性，还有助于推迟弹簧释能的时机、使得弹簧的释放时间更短、力量更强大更集中。
单向变速机构包含了一个超越离合器[9]，超越离合器具有单向传递力矩的作用，它的中部为星轮[10]，固连在变速齿轴[12]上，外缘[11]为齿并与输出轴齿[27]啮合；变速齿轴的轴齿[28]与第一齿轮(齿条)啮合，第一齿轮(齿条)通过内含轴承与输出轴隔离。运动时情况如下A压板上翻带动第一齿轮(齿条)“正向转动”、带动变速齿轴“反向转动”、同时超越离合器的星轮“反向转动”并超越了外缘的转动速度时，带动外缘“反向转动”、最后带动输出轴“正向转动”、从而对输出轴有“正向”驱动作用；B压板下压带动第一齿轮(齿条)“反向转动”、带动变速齿轴“正向转动”、同时超越离合器的星轮“正向转动”(这时超越离合器的外缘正在随着输出轴的“正向转动”惯性而“反向转动”)、由于超越离合器具有单向传递力矩的作用，此时星轮“正向转动”并不会带动外缘“正向转动”，所以也不会带动输出轴“反向转动”；C压板静止时，星轮静止，由于超越离合器具有单向传递力矩的作用，这时超越离合器的外缘只是随着输出轴的“正向转动”惯性而“反向转动”。
通过以上A、B、C三种情况的分析可以看出含有超越离合器的变速机构将压板上下往复翻转转换为单向旋转力矩，并保持行走时的前进惯性的持续性，还使快速鞋具有一定的防后滑能力，可用于长距离爬坡。而且变速机构将压板前段上翻放大为输出轴近四周(变比为16时)的旋转角度，从而驱动固连在输出轴上的输出轮使快速鞋产生一个较长的驱动距离。变速机构对旋转角度的放大倍数等于对旋转力距的缩小倍数，称为变比。
本实例选用直径10cm的实心轮胎作为输出轮[17]，输出轮与输出轴[14]固连，选用直径10cm是因为要抬高支架，使之与地面的距离较大，以便适应较差的路况。选用实心轮胎是因为便宜、耐用。
支架[26]上连接着变速箱[25]、储能弹簧[7][8]、转向机构、刹车机构、锁定机构、压板下压限位轴承支架以及鞋体外壳等部件。
转向机构选用双轮独立转向方式，由两只独立的转向轮[16](即后轮，内含轴承)、轮轴[33]、转向轴[35]、转向支架[34]等构成。转向轮通过轮轴连接转向轴和转向支架、转向支架固定在鞋底支架[26]上。转向机构利用脚部通过鞋体对地面的侧压导致转向轴转动、转向轮水平偏转而实现转向，使快速鞋能够在人体的控制下绕过障碍或改变行走方向，提高了行走的安全性和灵活性。
刹车机构选用对前轮摩擦并通过两只鞋的碰撞挤压获得制动力的方式，由挤压柄[30]、摩擦块[29]、复位弹簧[32]、支撑件[31]等构成。挤压柄位于鞋体内侧，可通过两只鞋的碰撞挤压获得制动力、将摩擦块压向前轮内钢圈[18]并与之接触摩擦；刹车或减速动作结束后由复位弹簧实现自动复位功能。刹车机构实现了人体对减速和刹车的控制。
锁定机构为手锁半锁定方式，锁定时将压板与支架相连，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惯性前滑。由锁定链[19]、锁定钩[20]、锁定孔[22]、锁定挂架[21]等构成。锁定链连接在压板后段的尾端、另一端连接锁定钩、锁定时通过手锁操作将锁定钩挂接在锁定孔上[22]、锁定孔在支架上，行走时锁定钩挂接在压板后段的尾部的锁定挂架上[21]。锁定机构保证了快速行走鞋在不能或不必快速行走时禁止其快速行走功能，使之适用于不同的场合。
以下对本发明实例的原理和效果进一步说明人体行走特点是双脚交替处于支撑和超越两种状态，每只脚通过下压由超越状态向支撑状态过渡，支撑时重心由脚跟向脚尖移动；每只脚通过后蹬和提脚(简称上翻)由支撑状态向超越状态过渡，上翻过程迅速。
针对以上特点，在上翻过程输出一个驱动力有以下好处A重心已移至脚尖且脚跟有上提动作，压板上翻有利；
B上翻过程迅速，有利于更集中地输出驱动力；C通过上翻过程伴随的后蹬动作可以将驱动力传递到前脚，克服整个重量体系的滚动摩擦阻力，实现整体驱动，并保持行走习惯；D处于行走周期中的速度下限，此时集中输出驱动力对提高整个重量体系的速度最有利。
为了便于说明，定义以下概念A重力矩ML，重力矩等于重力M乘以重力作用点与压板支点之间的距离L，随着重心的前移L减小，所以作用在压板上的重力矩在下压时较大、上翻时最小；B弹簧储能，弹簧储能等于重力下压通过压板导致弹簧形变所累积的弹性势能；C上翻力矩FS，上翻力矩等于弹力F乘以弹力作用点与压板支点之间的距离S加上提脚动作的附加上翻力矩fs；D输出力矩GS，输出力矩等于上翻力矩FS除以变速机构的变比n；E阻力矩GR，阻力矩等于滚动摩擦阻力矩gr加上上翻时的重力矩ml除以变速机构的变比n之后的值。
本实例的驱动效果分析本实例的典型参数为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(实心轮胎、泥土路面)，ml=200kgcm,GR=gr+ml/16=32.5kgcm；可见输出力矩GS的平均值大于阻力矩GR，能够驱动人体前进，其原因在于随着重心的前移，作用在压板上的重力矩，在下压时较大(ML)上翻时最小(ml)。应当注意上翻力矩FS在上翻过程中是逐渐减小的，以上是使用平均值作的大致分析。要使上翻过程保持较大的上翻力矩就要增加弹簧储能，这会使下压力增加，弹簧释能提前，释能时间延长，反映出增大驱动力与速度上的矛盾。在特定的变比条件下，利用分段式压板和分级式弹簧能够有效地缓解这一矛盾，使得下压较轻松，并推迟了弹簧释能时机，缩短了弹簧释能时间，从而提高了行走速度。
本实例在中速行走时的效果分析本实例选用直径10cm的实心轮胎作为输出轮，按照人体习惯的上翻50度计算的上翻驱动距离为70cm(50*16*10*3.14/360=70)。步行周期定义为单脚状态的一次完整变化，即通常所说的两步。对于穿着本实例，中速行走的步行者，步行周期行进距离为2*(单步跨度60cm+上翻驱动距离70cm+支撑脚惯性滑动距离110cm)=480cm。步行周期约1.2秒，则行走速度为每秒4米，时速为14.4公里。如果选用充气轮胎或使用的路面更好，可以大幅度提高变比(＞16)，从而获得更高的速度。[完]
权利要求
1．两脚各穿一只的助行交通工具，由鞋体和鞋轮组成，其特征在于还包括了分段式压板、分级式储能弹簧、单向变速机构、输出机构、转向机构、刹车机构、锁定机构、鞋底支架等，利用压板和储能弹簧，配合脚部的上下翻转和重心前后移动，交替存储和释放重力做的功，通过变速机构转换为单向旋转力矩并传递到输出机构，用后脚驱动的方式交替驱动人体行走。
2．根据权利要求1的快速行走鞋其特征在于压板被铰链轴[1]分为压板前段[2]和压板后段[3]，压板前段与变速机构的第一齿轮(齿条)[4]固连，压板支点[5]在输出轴[14]轴线上，压板前段从铰链轴开始向后略有延伸，压板后段通过铰链轴与压板前段连接，压板后段从铰链轴开始向前略有延伸，压板后段承载脚底或普通鞋[6]，压板前后段相对翻转的角度被限制在0至60度范围。
3．根据权利要求1的快速行走鞋其特征在于利用分别与铰链轴和压板后段相连的两根储能弹簧[7][8]分级存储和释放能量，储能弹簧还具有使压板复位和减震的作用。
4．根据权利要求1的快速行走鞋其特征在于变速机构包含了一个超越离合器[9]，超越离合器具有单向传递力矩的作用，将压板上下往复翻转转换为单向旋转力矩，并保持了行走时的前进惯性的持续性。
全文摘要
本发明涉及一种自行交通工具,称为快速行走鞋。两脚各穿一只,利用分段式压板和分级式储能弹簧,配合脚部的上下翻转和重心前后移动,交替存储和释放重力做的功,通过变速机构转换为单向旋转力矩并传递到输出机构,用后脚驱动的方式交替驱动人体行走。该快速行走鞋比自行车携带方便,有自行驱动能力和速度控制机构,采用分段式压板和分级式储能弹簧,提高了行走的舒适性和安全性,在符合人体行走习惯的同进实现了快速安全的行走。
文档编号A43B5/00GK1303642SQ0011261
公开日2001年7月18日 申请日期2000年1月11日 优先权日2000年1月11日
发明者秦勤 申请人:秦勤