带动力减震系统的智能运动鞋

　　鞋网8月17日讯　 Lockheed的Skunk工作小组在某个秘密地点制造出第一双如此设计的智能运动鞋，而之前该公司曾经设计制造了美国第一架喷气式战斗机XP-80。

    Adidas 1型运动鞋参数表

    项目时间 3年

    重量 电池：6g；系统总重：40g；总重：400g

    尺寸 减震元件：22mm厚；电机盒和电路：40.6 x 29.5 x 19 mm3（并非完全的矩形）

    其他规格 压缩范围：1~10mm（可调整）；精度：±0.1 mm；输入量：每秒采样1000次；电机扭矩：0.11 mN·m(1.1 g·cm)；电池寿命：100小时

    操作环境 湿度：可用于雨中跑步；冲击：最大4000N(可承受60kg～160kg的跑步者体重的三倍)

    温度范围 系统在生产过程中经受了90℃的高温,可用于沙漠跑步(最高温度50℃)

    该智能运动鞋系统包括一个8位工作频率为20Hz的微控制器（MCU），电机控制的导螺杆，霍尔效应传感器，以及特殊设计的塑性减震元件。它可以通过测量鞋底夹层中减震垫的压缩程度，在奔跑的过程中自动调整，从而保持理想的减震级别。电机以 50∶1的传动比驱动一组齿轮，进而旋转导螺杆，牵引缆线，用于调节减震元件的可用空间。减震元件的特点在于每侧有两个同心壁，用于抵抗剪切力，提供稳定性。一只鞋底为24mm运动鞋的标准压缩尺度是10 mm，几乎是鞋底高度的50%。

    测试设备：Adidas的工程师们用Instron公司的测试设备来确定减震垫的强度的舒适程度，以及用于电机保护部分的机械强度。

    电源管理的关键

    设计小组的Christian DiBenedetto说，整个设计只有一个准则，那就是为了记录跑步者的跑步经历，而不是为了增加鞋子的重量或者高度。电池寿命是另外一个问题，“理想情况下，我们希望电池的寿命和运动鞋的寿命一样长，”DiBenedetto说，“但电池的期望寿命只有100小时。”

    首先，设计小组必须找到一种精确测量鞋底夹层中减震垫压缩量的方法—— 一种实时的监测方法。在跑步者的脚触地25毫秒之后，减震垫将达到最大压缩程度。最后，他们在减震垫上部植入Allegro公司的线性霍尔传感器，在下部植入磁铁，实现了最初的设想。这个非接触传感装置的输出电压准确地记录了磁流量密度的变化，而磁流量密度与传感器距离磁铁的距离相关。这个传感器不仅能测量减震元件受压缩的程度，而且还可以测量达到最大压缩状态所需的时间——进而能够利用软件分辨特定的地面状况。

    DiBenedetto说，就鞋的尺寸和成本来说，霍尔效应技术的应用很有意义，而且从电量消耗上说该技术更有价值。“我们考虑过使用其他的技术，但是霍尔效应方案让我们能够调整电量的分配。我们要保证感应线圈持续的电能供应，”DiBenedetto解释说。霍尔效应传感器同时也能满足重量方面的解释要求。

     跑到最后：尽管他们没有任何关于如何在运动鞋中植入电子元件的设计经验，Adidas的工程师们还是比他们最初设计的时间表提前了好几个月完成了预定的计划。

    脉冲技术的关键

    虽然只用5.6mA的电流，传感器仍然有电池寿命的问题。工程师们选择了常用的手表用2450钮扣锂电池，其额定电压为3V，电池容量为550mAh。DiBenedetto说，“这是一个标准电池，我们要考虑到的一个关键问题是，我们不想生产出那种需要消费者四处寻找专卖店才能更换特殊电池的商品。”

    工程师们用了好几种办法，降低传感器和MCU的功率需求，其中一种是只在必要的时候才给传感器供电。例如，当进行AD转换时，传感器需要通电，AD转换一旦完成，MCU就会关掉霍尔效应传感器和参考电压的电源。完成计算和存储之后，MCU会自动切换到休眠模式，直到下次需要读取数据的时候才再次启动。

    工程师们也研究了如何降低将压缩量调整到1～10mm之间所需的电能——也就是确保系统能够在每跨步之间作出快速反应，进行调节。DiBenedetto说，“由于有压缩量监测系统，这样我们就可以知道什么时候脚将要离开地面。因为系统此时处于休眠状态，它只需要用最小的电量就可以做出调整，而这一段时间是留给我们改变减震级别唯一的时机。”

    电能管理：为了减少电能需求，由于霍尔效应传感器是系统中最耗电的设备之一，所以MCU采用脉冲形式给霍尔效应传感器供电。上图中的蓝线代表运动鞋接收到的未经处理的真实数据，绿线表示此时为了节省电力，运动鞋进入休眠状态的阶段，红线是系统在这个实验中要处理的重要数据，信号的上升和下降对于MCU调节减震级别来说是相对重要的数据。

    像其他鞋一样

    与时间问题同等重要的是要确保让跑步者对鞋的任何变化都能一目了然。因此工程师们在设计该系统时，分多步逐渐作出调节。他们进行了四次地面冲击实验，忽略了所有异常情况。调节是分步骤逐步完成的。通过每秒钟对传感器采样1000次，滤掉噪音信号，工程师们有足够多的测点进行精确测量，利用软件分析数据，就可以判断出地面状况的任何变化。DiBenedetto 说，“如果跑步者离开公路跑进乡间小径或者草地，我们就能够从压力数据中判断出来。”鞋子适应新的地面情况以后又恢复减震准备状态——这比工程师们原本设想的要好。

    有些看起来简单的设计问题后来证明要比原来设想的要复杂：例如，察看发光二极管用户界面上的显示信息需要有一个聚光灯，这样跑步者才能方便地读取数据。DiBenedetto说，“我们重复实验了15次才安上灯管，灯管连通到发光二极管上。”灯光注入五个光导管，光导管和用户界面的材料都是热塑氨基甲酸乙酯（TPU）。

    封装是另外一个挑战。最坏的情况是，一个150磅的跑步者踏在路面上，会造成450磅的冲击力，而这个冲 >>击力会直接作用在电机箱上。设计小组不得不设计一个外壳，它既能够承受这个最大冲击力，又不会使这个力传递到跑步者上去。于是，他们提出了一个解决方案：用一个刚性的，抗高冲击聚碳酸酯外壳保护电机，同时固定内部电机等元器件的位置。这个外壳被置于一个柔性TPU中。外壳的形状和结构使得冲击力分布在电机周围，为脚提供了婴儿摇篮般的保护。

    像所有的消费电子产品一样，Adidas 1型鞋的用户手册将会以数字形式提供。DiBenedetto说，“我们希望不再用以前的纸板和薄纸来包鞋，所以我们设计了全新的鞋盒。”

    “由于我们在设计世界上第一双智能运动鞋时已经考虑了所有的细节，用户不用担心重启的问题，无需下载数据，不用费心更换电池，” DiBenedetto再次保证说，“只需在你跑步前启动它就结了。”

   跟踪测试

  在实际测试运动鞋的时候，工程师们设计了专门的数据记录器。电子工程师Mark Oleson说，“我们需要便携式的数据记录器，它必须足够小，这样才不会限制跑步者的运动。我们必须开发所需的软件，以便准确及时处理反馈数据。”当智能运动鞋最终完成的时候，数据记录器提供的数据表明设计小组实现了当初的既定目标。