鞋底的尺寸变化方法和具有可变尺寸鞋底的鞋与流程

1.本发明涉及鞋类工业领域，即，涉及具有可变尺寸鞋底的鞋类，其构造便于爬坡、楼梯、下坡、骑自行车和其他地方。


背景技术：

2.当步行上坡或爬楼梯时，为了克服重力，必须进行等于体重、自由落体加速度、以及身体提升高度的乘积的肌肉功，即，e＝m*g*h，其中，m是身体或携带所有物体的人的质量，g是自由落体的加速度，h是身体提升的高度，并且e是等于所做的肌肉功的身体的重力势能。通常在人流众多的超市、机场，安装自动扶梯或输送机以方便爬楼梯或上坡。由于不可能在任何地方安装自动扶梯，因此将这种“自动扶梯(escalator)”与鞋类集成在一起，并且在上坡或爬楼梯时使用它是很方便的。
3.已知一种用于降低腿部承载能力的上下台阶方法，其中辅助缓冲器用于降低人体在上下台阶过程中腿部的承载能力。辅助缓冲器安装在双脚的鞋底的下方，并且在常规状态中，辅助缓冲器的垫高结构件被压缩。在下台阶状态下，当前脚下台阶时，电子开关打开，释放垫高结构件，然后在人体重力作用下压缩垫高结构件。
4.已知方法的缺点在于，垫高结构件降低或升高脚的后部部分。而且，根据辅助缓冲器的技术实现，不可能维持凸起的垫高结构件的逐渐压缩，从而导致颠簸。中国专利cn110075505(a)，2019中描述了用于降低腿的承载能力的已知方法和实现。
5.已知一种用于通过改变行走时放在用户腿上的装置表面的倾斜度或站立高度来改善人类用户的移动和运动功能的方法和装置。该装置包括放置在鞋底与平台之间的推压元件、传感器和处理器。
6.已知方法和装置的缺点是在步态的摆动阶段期间，改变设备表面的站立高度。因此，不存在使爬楼梯或上坡更容易的升降机效应。美国专利us2008134541(a1)，2008中描述了用于改善人类用户的移动和运动功能的已知方法和装置。
7.已知一种用于爬坡登高的助力装置，包括鞋底、鞋托、电源、电缸、控制模块和接触开关。鞋底的前端向上凸出有前板，前板的上端通过销轴与鞋托的前端活动连接。当穿戴该装置的人爬楼梯或者爬坡时，一只脚的鞋底与地面接触以接通触摸开关，然后控制模块发出信号使电缸的电缸杆伸长进而使鞋托后部逐渐升起；当抬脚时，触摸开关断开，控制模块使电缸的电缸杆缩短进而使鞋托后部逐渐下降恢复到初始状态。
8.已知用于爬坡登高的助力装置的缺点是，鞋的后部延伸/恢复并仅抬起脚的后部。这些鞋只使小腿肌肉更容易做功，所以爬楼梯不会使小腿肌肉紧张，随着时间的推移，小腿肌肉会变弱。由于鞋底和鞋座的开口角度有限，抬脚也受到限制。已知方法和鞋在中国专利cn107136624(a)，2017中描述。
9.已知一种用于升降以便升降与下一个基本水平的台阶处于同等高度的正在上楼或下楼的人的至少一只脚的承载表面的设备，其中，该设备包括布置在彼此上方基本平行的用于承载和支撑的两个表面，还包括升降台和用于在上楼或下楼时分别给设备通电的控
制装置，其中，在上楼或下楼时，该设备与至少一只脚形成一体并被脚带走。该设备可以到达两个目标位置，第一个目标位置是承载表面和支撑表面基本上在彼此顶部上的起始位置，并且第二个目标位置是表面具有最大中间距离的起始位置。
10.已知的用于升降的设备的缺点是，将脚放在位于两个起始位置之一的设备表面上后，该设备通电，形成脚和设备的一体，因此，在装置每次这样通电后，随着每一步的进行，平稳地爬楼梯变得急促。换句话说，当脚已放在楼梯上时，脚开始抬起，并且每一步都感觉到加速度。用于提升的已知设备在欧洲专利申请ep1661841a1，2006中描述。
11.要解决的技术问题
12.本发明旨在通过使鞋类适应爬坡、下坡和楼梯来扩展鞋类的功能特性，以便于当在适当时刻踏步时，实现鞋类的鞋底的高度以恒定速度增加和减小，从而产生向上作用的自动扶梯而没有颠簸的效果。本发明还旨在改善运动鞋，这将有助于运动员在上坡、平坡和下坡上跑步。
13.本发明的实质公开内容
14.所提出的发明的解决方案的实质在于，在一种改变鞋类鞋底的尺寸以便抬起人的至少一只脚的方法中，鞋类的鞋底的尺寸，优选其高度，根据鞋底与支撑表面接触的位置而改变，其中，每只脚的鞋类的鞋底的高度在以下条件下变化：
15.a)当鞋类的鞋底比预定距离更接近支撑表面时，或者鞋底已与支撑表面接触但仍以小于可接受的预定力的力压在支撑表面时，鞋底的高度从其初始位置或接近初始位置的位置开始增加，并且当鞋底与支撑表面接触时，在其平面中的所有不同点处的鞋底高度均匀地并且以恒定速度增加，无论鞋底在支撑表面上施加的力如何，同时鞋底将脚向上抬起；
16.b)当鞋类的鞋底不再接触支撑表面时，鞋底的高度停止增加并返回到其初始位置或接近初始位置，其中，阶段a)和b)的顺序通过用单脚或双脚步行、踏步、跑步、攀爬、踩踏、跳跃来重复，并且其中阶段a)和b)中的每只脚的鞋类的鞋底的高度的变化产生向上作用的自动扶梯的作用而不颠簸。
17.在所提出的改变鞋类鞋底的尺寸以便向下降低人的至少一只脚的方法的另一实施方式中，鞋类的鞋底的尺寸，优选其高度，根据鞋底与支撑表面接触的位置而改变，其中，每只脚的鞋类的鞋底的高度在以下条件下变化：
18.a)当鞋类的鞋底比预定距离更接近支撑表面时，或者鞋底已与支撑表面接触但仍以小于可接受的预定力的力压在支撑表面时，鞋底的高度从其初始位置或接近初始位置的位置开始减小，并且当鞋底与支撑表面接触时，在其平面中的所有不同点处的鞋底高度均匀地且以恒定速度减小，无论鞋类的鞋底在支撑表面上施加的力如何，同时鞋底向下降低脚；
19.b)当鞋类的鞋底不再与支撑表面接触时，鞋底的高度停止减小并返回到其初始位置或接近初始位置，其中阶段a)和b)的顺序通过用单脚或双脚步行、踏步、跑步、攀爬、踩踏、跳跃来重复，并且其中阶段a)和b)中的每只脚的鞋类的鞋底的高度的变化产生向下作用的自动扶梯的效果而不颠簸。
20.在另一改进中，当作用于鞋底的垂直反作用力小于小于体重的1％或小于体重的5％、或小于体重的10％、或小于体重的20％、或小于体重的50％、或小于体重的100％时，鞋类的鞋底的高度开始变化。
21.无论支撑表面的倾斜度如何，鞋类的鞋底的尺寸仅在重力方向上变化。
22.在本发明的构造实施方式中，具有可变鞋底尺寸的鞋类，包括鞋类本体和连接到其上的鞋底、控制电子器件和电源，该鞋底具有上鞋底部分和下鞋底部分，至少一个电动致动器安装在其间以根据从用于检测与支撑表面的接触的位置检测装置接收的信号改变鞋底的尺寸，其中，具有线性传输功能的电动致动器由升降剪式机构组成，该升降剪式机构联接在与其垂直的运动平面中并且在运动学上与类似的驱动剪式机构相互作用，其中，支轴之间的距离等于或小于该升降剪式机构中的支轴之间的距离的两倍，该驱动剪式机构经由滑轮系统通过绳索连接至由具有减速齿轮的恒速电动机驱动的驱动滑轮，并且当鞋底的下部与支撑表面接触时，无论负载的变化，电动机的旋转速度保持恒定。
23.鞋类的鞋底的上部部分和下部部分各自由至少两个分开的部分组成，其中，鞋类鞋底的上部部分的分开的部分通过铰链与枢转轴线彼此连接。
24.两个相邻滑轮的旋转平面之间的角度通过使平面的枢转轴线与连接两个相邻滑轮的绳索对齐而自由可变。
25.绳索是uhmwpe绳索或芳族聚酰胺绳索。
26.位置检测装置在形状上是细长的、是柔性的并且当它们被弯曲或压缩时产生信号，该装置位于鞋底的下部部分中。
27.当鞋类的鞋底的高度在体重的影响下减小并且使用所做的重力功用于对电源充电时，电机以发电机模式操作。
28.本发明的优点
29.所提出的发明的优点在于，当脚停留在支撑表面上时，鞋类鞋底的高度重复增加并且人脚以恒定速度抬起，以及当脚移动时鞋类鞋底返回至初始位置产生向上作用的自动扶梯而不颠簸的效果，其中，当一个人每走一步都被向上抬起，不费吹灰之力就能爬坡或上楼梯时，这种体验就像在水平表面上行走一样。
30.希望有助于爬坡和上楼梯的鞋类穿戴在两只脚上，然而，根据所提出的发明，这种方法即使在仅在一只脚上穿戴鞋类时也是有效的。
31.而且，根据所提出的发明，这种方法和鞋类使得更易于在用双脚同时进行起飞时上坡或上楼梯，当双脚与支撑表面接触并且进行起飞时，鞋类的鞋底的高度增加并且将脚和人抬起，并且当在空中飞行并且双脚不接触支撑表面时，鞋类的鞋底收缩回到它们的原始位置，之后在下一次跳跃期间再次重复操作序列。
32.此外，支撑表面是人脚和鞋类的鞋底停留在其上的任何表面。支撑表面的实例是：人行道、路径、楼梯、沥青、沙、草、地板、平台、自行车踏板、梯子等。
33.此外，鞋类可以是具有可变尺寸的鞋底(优选可变高度的鞋底)的任何鞋、凉鞋、拖鞋、运动鞋、高跟鞋等，或者可变高度的平台和附接到脚或腿的其他装置，该装置可以穿在脚上并且可以抬起/降低脚并且同时抬起/降低人。
34.本发明还促进了踩踏，最好是自行车踩踏，当踩踏时由于鞋类的鞋底高度的重复增加而增强了踩踏，并且当踏板返回时鞋底高度恢复到初始位置，并且大大方便了骑行，踩踏自行车踏板时需要更少的肌肉做功。
35.本发明还有助于爬梯。
36.此外，鞋类的鞋底的不同部分的高度变化的运动学和动力学可以根据您是在爬楼
梯还是正好在相同的斜坡路径(例如楼梯和楼梯附近推小车的斜坡路径相同，两种情况下的倾斜度相同，但起伏的坡度不同，换句话说，鞋底下方的支撑表面的倾斜度)上进行调整。
37.此外，无论支撑表面的倾斜度如何，鞋类的鞋底的尺寸可以仅在重力的方向上改变。
38.当爬上10％的坡度(坡度＝高度/距离*100％)时，并且如果步长为约0.5m，则鞋类的鞋底的高度变化必须为约50mm以完全补偿坡度。如果跑步，步长较长，但脚接触支撑表面的时间较短，结果鞋底高度变化较小。
39.此外，利用可变鞋底高度的运动鞋，上坡跑步就像在平原上一样简单，在平原上跑步可以人为地创造下坡效果，显著提高跑步速度，而无需额外的体力劳动。
40.所提出的本发明的另一优点是，当脚停留在支撑表面上时，鞋类的鞋底的高度重复减小并且人脚以恒定速度降低，以及当脚移动时鞋类的鞋底的高度的增加产生向下作用的自动扶梯而不颠簸的效果，当一个人每走一步都被降低，从斜坡或楼梯上下来都很舒服时，这种感觉就像在水平面上行走一样。
41.此外，由于重力下降下坡或下楼会降低人体的势能，致动器以发电机模式运行，并且人体释放的势能可以用于为鞋类电池充电。
42.所提出的本发明的实用性表现在任何陡峭度的上坡或下坡行走、上下爬楼梯、在平原上行走等，以及当跑步、踩踏、用单脚和双脚跳跃时，具有重复可变高度鞋底的鞋类产生向上或向下作用的自动扶梯的作用而没有颠簸的效果，这有效地改变了支撑表面的坡度(其可能会减小或增大)，也可能不会有效地产生任何坡度。
附图说明
43.通过附图详细地解释本发明，这些附图不限制本发明的范围并且示出以下内容：
44.图1a至图1f示出所提出的使用可变鞋底高度鞋类便于爬楼梯的方法的方案。
45.图2a和图2b示出具有开放式可见的线性致动器的可变鞋底高度鞋类的方案。
46.图3a和图3b示出具有开放式内底结构的可变鞋底高度鞋类的方案，其中致动器由被伺服电动机驱动的阿基米德螺旋转子组成。
47.图4a和图4b示出可变鞋底高度的鞋类的外部，并且鞋底的内部结构被隐藏。
48.图5示出在不同的踏步时刻具有可变鞋底高度鞋类的爬坡的示图。
49.图6示出穿在左脚和右脚上的鞋类的鞋底的高度的变化对人以缓慢步伐上坡行走的时间的依赖性。
50.图7示出穿在左脚和右脚上的运动鞋的鞋底的高度变化对人在上坡慢跑时的时间的依赖性。
51.图8示出根据时间短跑运动员对运动鞋的鞋底的垂直反作用力。
52.图9a和图9b示出具有对角和反对角布置的致动器的可变尺寸鞋底的方案。
53.图10示出当维持恒定心率时运行速度对斜率的依赖性。
54.图11示出可变高度鞋底的详细示意图，如下所示。
55.图12a和图12b示出由电机驱动的垂直联接的剪式机构。
56.图13a和图13b示出分别具有传输函数z＝2x和z＝1/2x的垂直耦接剪式机构。
57.图14a和图14b示出当两个相邻滑轮的旋转平面之间的角度可自由变化时绳索在
这两个相邻滑轮之间的通过。
58.图15示出电机速度控制的框图。
59.附图中使用的缩写：
60.l-左腿、左脚或左脚鞋类；
61.r-右腿、右脚或右脚鞋类。
具体实施方式
62.根据所提出的发明，当人穿着具有可变鞋底的鞋类上坡或爬楼梯时，当脚和鞋类鞋底与支撑表面接触(脚站立阶段)，鞋类鞋底的高度以恒定速度向上抬起脚和人，并且当鞋类的鞋底不接触支撑表面且脚移动时(脚摆动阶段)时，在脚被移动后，鞋的鞋底高度恢复到其初始位置，在脚已移动之后，当脚和鞋类的鞋底分别再次与支撑表面接触时，鞋类的鞋底的高度返回到其初始位置，鞋类的鞋底的高度再次增加并且以恒定速度向上抬起脚和人，鞋类的鞋底的伸展和收缩的这一系列操作在每一步中重复直到爬上坡或楼梯并且产生向上作用的自动扶梯的效果而不颠簸的效果，这有效地改变上坡或爬楼梯的坡度并且可以产生好像在水平表面上行走的感觉。同时，通过下坡或下楼梯，每走一步，当脚与支撑表面接触时，鞋底的高度可以减小，并且当脚移动时，鞋底的高度返回至其初始位置，因此便于下坡或下楼梯行走，产生踩在水平表面上的感觉。期望在双脚上穿上具有可变鞋底高度的鞋类。
63.在图1中示意性地说明了所提出的当穿上可变鞋底高度鞋类时便于爬楼梯的方法。在图1a至图1c的左侧示出了以恒定速度(v＝const)上升的平台1上从左到右行走的人，紧挨着上升的平台1的虚线示出了假想的台阶2'。首先(图1a)，将左脚3和右脚4放置在平台1上，将左脚3放置在中间假想台阶2'处。通过向前移动右脚4，平台1以恒定速度上升，并且在图1b所示的时刻，平台1和左脚3分别以假想台阶2'的一半上升到高度h/2。此外，当人移动其右腿4并将其放置在平台1或下一个假想台阶2'上时，在此期间，持续上升的平台1通过一个假想台阶2'上升到高度h。查看图1a至图1c，我们注意到在持续上升的平台1上行走的人将其左脚3放置在假想的中间台阶2'上，并且该放置的左脚3通过一个假想的台阶2'竖直向上上升，但是下一步用另一个右脚4重复操作顺序。右边的附图(图1d和图f)示出人正在爬楼梯2并且假想平台1'以恒定速度在其旁边上升，并且可变高度的鞋底6附接至人的脚3、4，或者类似地附接至穿着可变鞋底高度鞋的人。首先(图1d)，将左脚3放在中间台阶2上，并且将右脚4抬起并放在最低台阶2上，安装在右脚4上的鞋底6的高度使得右脚和左脚处于相同的高度。通过移动右脚4，左脚3以鞋底6的速度抬起，使得左脚3与假想平台1'一起抬起，同时附接至右脚4的鞋底6收缩。当右脚4移动并放在下一台阶2时，附接到左脚3的鞋底6的高度改变，使得右脚和左脚处于相同的高度。正如我们所看到的，当穿着鞋底高度可变的鞋爬楼梯时，你会感觉自己就像是在一个水平且不断上升的平台上行走。这因此产生向上作用的自动扶梯而不颠簸的效果，从而产生改变楼梯坡度的印象。
64.同时，与上面讨论的情况相反，当下楼梯时，在每个台阶处放在楼梯上的脚会降低，从而产生向下作用的自动扶梯而不颠簸的效果，因此楼梯的坡度会有效地改变，并且爬下楼梯可以引起好像在水平支撑表面上行走的感觉。
65.为了防止踏步时的颠簸，当脚接触支撑表面时或刚好在接触支撑表面之前鞋底的
高度开始改变，并且鞋底的高度改变直到脚抬起到空中并且鞋底不再接触支撑表面。
66.此外，为了防止踏步时的波动感，鞋的鞋底的高度以恒定速度改变。然而，当跳跃、用双脚起飞或跑步时，增加变速鞋的鞋底的高度以产生更大的阻力可以是有益的。
67.图2a和图2b示出由具有上鞋底部分7和下鞋底部分8的可变高度鞋底6组成的可变高度鞋底鞋类5，致动器9安装在上鞋底部分7与下鞋底部分8之间，借助于该致动器改变鞋底6的高度，电源10安装在鞋类5中以供应致动器，用于检测与支撑表面接触的位置的装置11安装在鞋底的下部分8中，根据与支撑表面接触的位置，该装置生成输出信号并通过控制电子器件将其传输到根据所接收的信号相应地改变鞋底6的尺寸的致动器9。当鞋类5的鞋底6与支撑表面接触或者鞋底6朝向支撑表面移动并且其比在预定距离内更近时，鞋类5的鞋底6的尺寸改变。当鞋类5的鞋底6不再接触支撑表面时，鞋类5的鞋底6的尺寸返回到初始位置或接近初始位置。检测与支撑表面的接触的装置11可以选自由以下组成的组：压力传感器、应变计、超声波或电磁距离传感器，这些传感器可以类似于停车传感器、测量脚加速度的加速度计、测量脚倾斜的陀螺仪、内置在鞋类的鞋底中的开关，这些开关在用脚接近或接触支撑表面时被按压。
68.还有，鞋控制电子器件可以附加地连接并且可以任选地从上坡陡度确定装置、台阶参数确定装置、地形坡度确定装置接收信号，并根据预定的需要向致动器9传送这些信号，致动器9根据所接收的附加控制信号调节鞋底6的抬起高度和速度，设置鞋底下部8与鞋底上部9之间的倾斜度，将脚跟区域抬起超过脚的剩余部分。
69.图2a示出具有可变高度鞋底延伸的鞋类，并且图2b示出当可变高度鞋底缩回时的鞋。
70.致动器9安装在鞋底6上，使得每个致动器6的一侧更靠近脚停留在上鞋底部分7上，并且另一侧更靠近支撑表面搁置在下鞋底部分8上，或者直接搁置在支撑表面上以形成下鞋底部分8。鞋的鞋底装配有至少一个致动器9。而且，下鞋底8可以由若干部件构成，并且每个部件根据行走或跑步方式、坡度和地形梯度被单独地电子地控制。
71.致动器9可以选自由以下各项组成的组：液压致动器、气动致动器、机电致动器、压电致动器、分段式心轴致动器、刚性链致动器、刚性带致动器、螺旋带致动器、齿条与小齿轮机构、扭曲和盘绕聚合物(tcp)致动器、线性电机、滚柱丝杠致动器、电活性聚合物、伺服机构等。
72.电源10可以是可再充电的锂离子电池、锂聚合物电池、锂空气(li空气)电池、镍(nimh)电池、或一次性锂金属电池、碱性电池等。如果需要高瞬时功率，则可以与电池一起使用超级电容器。
73.上述用于确定坡度和台阶参数的装置是三轴加速计以测量加速度并且确定脚在空间中的位置并且确定坡度或取向传感器模块，包括三轴陀螺仪、三轴加速计和三轴磁力计以确定位置和方向以及它们的变化，并且相应地确定山坡的坡度。
74.当左脚和右脚之间建立了方向敏感的无线电或光学或超声波通信时，也可以通过步进法通过右脚与左脚之间的高度差来实现确定坡度的方法；根据连接的特点，微处理器计算脚的高度差，并相应地计算上坡或楼梯的陡度。
75.确定上坡或楼梯的陡度只需手动完成，当走上坡或楼梯时，一个人会评估其陡度，并且鞋类可以通过蓝牙由电话控制，也可以通过无线电将控制信号传输到鞋类电子设备进
行远程控制，控制面板可以安装在戒指或手镯上，或者仅仅握在你的手里。实际上，一个人只需控制一个参数就足够了，在什么时刻以及鞋类的鞋底高度必须以什么速度变化是由控制电子设备指定的。
76.图3a和图3b示出具有开放式内底结构的可变高度的鞋底鞋类的示意图，放置在鞋底6中的致动器由伺服电机13驱动的阿基米德螺旋转子12组成。转子12的形状被选择为使得其直径与旋转角度(即，阿基米德螺旋)成比例，并且具有该特性。为了减少摩擦，转子12停留在安装在上鞋底7和下鞋底8中的轴承14上。如果轴承14足够大，则必须稍微调整转子12的形状，使得鞋底6的高度与转子12的旋转角度成比例变化。上鞋底7通过联接件15、铰链16和弹簧17连接到下鞋底8。在鞋类鞋底6上设置有电源10用于为伺服电机13供电，并且在鞋底的下部8上设置有位置检测装置11用于检测脚与支撑表面的接触。该鞋类还包括控制电子器件，其根据坡度和步长参数控制致动器。图3a示出具有可变高度鞋底延伸的鞋，并且图3b示出当可变高度鞋底缩回时的鞋。
77.图4a和图4b分别示出当鞋底6的高度较低(图4a)和较高(图4b)时可变鞋底高度的鞋类5。用于改变鞋底6的高度的致动器安装在上鞋底部分7与下鞋底部分8之间。
78.图5示出在上坡时脚和鞋底高度随步数的变化，在图中，字母r表示右脚或鞋，并且字母l表示左脚或鞋。在初始位置(图5a)，当步数为0时，左脚放置在前面，右脚放置在后面。右脚鞋的鞋底的高度大于左脚鞋的鞋底的高度，使得双脚处于相同的高度。当移动右脚时，左脚鞋的鞋底的高度均匀地增加，并且右脚鞋的鞋底收缩(图5b)。当放置右脚时，左脚鞋的鞋底的高度均匀地增加到使得双脚再次处于相同高度的程度(图5c)。进一步进行第二步，右脚静止站立并且其鞋的鞋底的高度稳定地增加，同时左脚移动并且其鞋的鞋底收缩(图5d)，最后，直到左脚放下，右脚的鞋底的高度均匀地增加到使得双脚再次处于相同的高度的程度(图5e)。如我们可以看到的，在两步之后，双脚向上抬起一隔(在纵坐标轴的方向上)，并且由于鞋的鞋底的高度的变化，可移动的脚放置在与站立的脚相同的高度处，所以上坡陡度有效地变为零。
79.图6示出穿在左脚和右脚上的鞋类的鞋底的高度的变化对人以缓慢步伐上坡行走时的时间的依赖性。当左脚3放在支撑表面(0秒)上时，左脚3的鞋类鞋底高度均匀增加(细实线)，当右脚4移动(0.1秒)时，鞋类的右脚4的鞋底的高度开始减小(0.2秒)并返回至起始位置(粗虚线)(0.4秒)。随着左脚3的鞋类鞋底的高度继续增大，移动的右脚4放在支撑表面上，右脚4的鞋类鞋底的高度均匀增大(粗实线)(0.7秒)，左脚升高运动后，左脚3的鞋类鞋底的高度停止增大(0.8秒)之后开始减小(0.9秒)并收缩(点划线)(1.1秒)。
80.将移动的左脚3放在支撑表面上(1.3秒)后，左脚3的鞋底再次均匀升起(细实线)，等等。因此，当脚放在支撑面上时，鞋类的鞋底的高度均匀地增加，并且当脚移动时，则鞋类的鞋底的高度减小并返回到初始位置。当行走一定时间段时，双脚停留在支撑表面上，并且鞋底的双脚一起抬起。
81.鞋类的鞋底的高度变化取决于脚接触和不接触支撑表面的时刻，并且由用于检测与支撑表面的接触的位置检测装置11控制。向上作用的自动扶梯的效果也可以在不使用检测与支撑表面的接触的位置的装置11的情况下实现。实现向上作用的自动扶梯效果的最简单的方式是使台阶与周期性改变的鞋类的鞋底同步。随着鞋类的鞋底的高度增加(图6的实线，薄或厚)，鞋类的脚部和鞋底分别必须搁置在支撑表面上，同时随着鞋底高度减小(图6
的虚线或虚线)，鞋类的脚部和鞋底不得分别接触支撑平面，并且更精确地，台阶与鞋底高度变化的阶段同步得越精确，提升效果就越大。例如，如果无法实现同步，则鞋底有一半时间将脚抬起，另一半时间允许脚向下，直到停留在支撑表面上，则不会产生提升效果。相反，如果当鞋底高度减小时脚停留在支撑表面上，而当鞋底高度增大时脚不停留在支撑表面上，则将产生向下作用的自动扶梯的效果。可以由人自己通过用周期性可变高度的鞋底踏入行程来实现同步，或者可以提供将鞋类鞋底的周期和相位调整到人的脚步的参数的同步装置。左脚和右脚的鞋类的鞋底的高度变化的阶段也必须协调，阶段必须相差半个周期，即，当一只脚的鞋类的鞋底的高度增加时，另一只脚的鞋类的鞋底的高度必须减小。通过在左脚鞋类与右脚鞋类之间使用无线电通信可以确保相位到相位的匹配。
82.图7示出穿在左脚和右脚上的运动鞋的鞋底的高度的变化对人在上坡慢跑的时间的依赖性。当左脚3或右脚4碰到支撑表面时，左脚3或右脚4上的运动鞋的鞋底的高度均匀增加(实线)，当脚移动时，运动鞋的鞋底回到初始位置(虚线或点划线)。在跑步过程中穿在左脚3和右脚4上的运动鞋的鞋底的高度变化的规律性类似于步行情况下的规律性(图6)，主要区别在于，支撑表面仅由右脚4或左脚3接触，或者双脚在空中保持一段时间并且不接触支撑表面。
83.图8示出根据时间由短跑运动员引起的对运动鞋鞋底的垂直反作用力。在短跑过程中，当脚放在支撑表面上时，在某些时刻运动鞋的鞋底上的垂直反作用力比运动员的体重大三倍，因此，跑步鞋必须配备能够提升至少三倍运动员重量的致动器。同时，进行跳跃的篮球运动员的运动鞋鞋底的垂直反作用力高达篮球运动员重量的九倍。
84.根据本发明提出的另一改进是，在便于爬坡和爬楼梯的鞋类方法中，包括在人的踩踏下鞋底尺寸可变的鞋，同时鞋类的脚和鞋底分别接触支撑表面，鞋底的下部相对于脚沿与行走方向相反的方向水平滑动，当脚移动时，鞋底的下部返回到初始位置，在脚部和鞋类的鞋底再次分别触碰到支撑表面后，鞋底的下部相对于脚在行走的相反方向上再次水平滑动，并且每一步重复这一操作序列。鞋类的鞋底相对于脚的反复的水平位移增加了步进速度，产生好像在滑动路径上行走的感觉。在构造实现(图9)中，鞋类包括以不同角度对角地布置的致动器，通过该致动器不仅改变鞋类的鞋底的高度，而且改变鞋类鞋底的下部部分相对于鞋底的上部部分或脚的水平位移。图9a和图9b示出具有可变鞋底尺寸的鞋类5，其包括具有上鞋底部分7和下鞋底部分8的可变鞋底6，对角和反对角取向的致动器9安装在上鞋底部分7与下鞋底部分8之间，通过该致动器不仅改变鞋底6的高度，而且下部分8相对于上鞋底部分7水平移动。当对角布置的致动器收缩或伸展时，下鞋底部分8相对于上鞋底部分8水平地移位，而相反地，反对角布置的致动器伸展或收缩。在踏步期间，使鞋底水平地滑动增加运动的速度，产生滑动路径的效果。图9a示出当下鞋底8相对于上鞋底7水平向前运动时的鞋类5，并且图9b示出当下鞋底8水平向后运动时的鞋类5。为了使下鞋底8相对于上鞋底部分7水平地移位，需要至少两个彼此倾斜角度不同的致动器。
85.鞋类5的下鞋底部分8相对于上鞋底部分7的水平位移也可通过使用水平线性致动器或水平轨道来实现。水平线性致动器可以是位移台、线性电机、压电致动器等。鞋类5还配备有用于检测与支撑表面、控制电子设备、电源10的接触位置的装置11。控制电子器件可以附加地连接并且可以任选地从上坡陡度确定装置、步长参数确定装置、地形坡度确定装置接收信号，并根据预定的需要向致动器9传输这些信号，致动器9根据所接收的附加控制信
号调节鞋底6的提升高度和速度，设定下鞋底部分8与上鞋底部分7之间的倾斜度。
86.为了防止踏步时的颠簸，鞋类5的下鞋底部分8在下鞋底部分8接触支撑表面的时刻或刚好在接触支撑表面之前开始相对于上鞋底部分7水平地滑动，并且下鞋底部分8水平地移动，直到脚抬起到空中并且鞋底不再接触支撑表面。而且，为了在踩踏时不感受到任何波动，鞋类的鞋底的下部部分8相对于脚或鞋底的上部部分7以恒定的速度水平地滑动。然而，当用双脚跳跃或跑步时，变速鞋类鞋底的底部的水平滑动可以是有益的，从而产生更大的推力。
87.图10示出当保持恒定心率时跑步速度对上坡陡度的依赖性。测量了在保持160/min恒定心率的情况下上坡1km所需的时间。如图中可见，运行时间几乎与斜坡的陡度成比例。当上坡陡度为0.032时，1km距离在平均6分钟内跑完，而当在相同陡度下坡行驶时，1km距离在4分钟50秒内跑完。假设在慢跑期间步长约为1m，并且一步中脚停留在支撑面上的时间不到一半，然后，则运动鞋的鞋底的高度在小于30mm的范围内的变化完全补偿上坡。而且，基于图10中呈现的数据，我们看到，确定上坡陡度的有效装置可以是测量心率的心率监测器和用于测量步长参数的加速度计模块。在恒定的步长和速度下，心率取决于上坡陡度，微处理器根据上坡陡度选择运动鞋鞋底的高度变化的参数。心率监测器可以安装在运动鞋中或另一位置中，例如，在手腕或胸部上。
88.图11描绘了可变高度鞋底的详细视图，如下所示。放置在上鞋底部分7与下鞋底部分8之间的两个致动器由垂直联接到类似的驱动剪式机构19的提升剪式机构18组成。剪式机构的垂直联接使得驱动剪式机构19相对于鞋底部件7的平面的水平位移与提升剪式机构18和下鞋底部件8的垂直位移成比例。换句话说，垂直联接的剪式机构的传输函数是线性的。图中未示出的弹簧可以用于使剪式机构返回到它们的原始位置。垂直联接的剪式机构的细节在图12和图13中讨论。驱动剪式机构19经由滑轮系统24通过绳索23连接至驱动滑轮22，并且驱动滑轮22经由减速齿轮21连接至电机20。如果鞋底中没有足够的空间，带有减速齿轮21的电机20可以放置在鞋底外部。由于电动致动器的这种设计，鞋类的鞋底的高度的变化率与电机的旋转速度成比例。图15中示出电机的速度控制框图。鞋底上部分7是柔性的，分成两部分并通过铰接件25连接，两个滑轮24布置成使得通过鞋底上部分7的折叠位置的绳索23与铰接件25的扭转轴线26对齐，通过鞋底的折叠位置的绳索23的传输在图14中示出。在鞋底8的下部分，在前部和脚跟区域中，安装用于检测与支撑表面的接触的柔性位置检测装置11，其长度约为25mm，并且当它们被弯曲或按压时它们起作用。该类型的位置检测装置11使得能够检测支撑表面，并甚至在将支撑表面接触到鞋类的鞋底之前起动和加速电机20。控制电机和电源的控制电子器件可以安装在鞋底上，并且如果没有足够的空间，则安装在鞋底的外侧。
89.图12示出由电机驱动的垂直联接的剪式机构。改变鞋类的鞋底的高度并相应地使人抬起的升降剪式机构18联接到类似的驱动剪式机构19，升降剪式机构18和驱动剪式机构19在垂直平面中运动。升降剪式18机构垂直于平面27移动，并且驱动剪式19机构平行于平面27移动。驱动剪式机构19经由滑轮系统(该图中未示出)连接至具有驱动滑轮22的绳索23，该驱动滑轮经由减速齿轮21由电机20驱动。绳索23或驱动剪式机构19在x轴方向上的位移等于提升降机构18在z轴方向上的位移，传输函数为z＝x。因此，如果电动机20以恒定速度旋转，则升降机构18也以恒定速度改变鞋底的高度。图12a示出升降剪机构18具有最大高
度的情况。图12b示出升降剪式机构18为最低高度的情况。
90.图13a和图13b分别示出具有传输函数z＝2x和z＝1/2x的垂直连接的剪式机构。图13a示出驱动剪式机构19，其中支轴29之间的距离是提升剪式机构18中的支轴28之间的距离的两倍小。因此，升降剪式机构18移动驱动剪式机构19的两倍的距离，联接的剪式机构的传输功能是z＝2x。图13b示出了联接的剪式机构，其中支轴之间的距离是相等的，但是驱动剪式机构19是双倍的。因此，提升剪式机构18在驱动剪式机构19的两倍小的距离处移动，在这种情况下，联接的剪式机构的传输函数是z＝1/2x。
91.图14示出当两个滑轮24和24'的旋转平面30与30’之间的角度可自由变化时，两个滑轮之间的绳索通过。由于鞋类的上鞋底部分7由铰接的两个分开的鞋底部分25组成，所以需要提供用于使绳索23在这两个铰接的且可沿着鞋底的枢转轴线26部分旋转的部分之间穿过的装置。这通过对齐平面30和30’的枢转轴线26来实现，其中，滑轮24和24’随着通过两个相邻滑轮24和24’之间的绳索23旋转。通过使平面30和30”围绕枢转轴线26旋转，绳索23分别纵向地扭转，但是相邻滑轮24和24”之间的绳索的长度保持不变，该特征使得两个单独的剪式机构能够由一个电机驱动。
92.图15示出电机的速度控制的框图，该电机不管其负载如何都确保电机的恒定转速。电动机20由电子速度控制器31控制，电动机20的转速和功率主要取决于电源电压或pwm占空比，当电动机20无负载旋转时，其转速由电动机速度常数“kv”指示，该电动机速度常数“kv”指示每伏电动机速度。随着负载增加，电动机速度减小，因此需要增加电压或pwm占空比以保持恒定速度。为此目的，提供了速度计32，该速度计基于从电动机接收的信号确定当前电动机速度并且根据当前速度是否与设定速度一致，电子速度控制器31调整电动机20的控制电压或pwm占空比。电动机转速由可调电阻33或其他类似装置来设定。当前电动机速度由霍尔效应传感器的输出或通过感测反电动势或反emf、或由解码器输出的信号来确定。还连接至电子速度控制器31的是用于检测与支撑表面的接触的位置检测装置11，该位置检测装置控制何时启动电动机20和何时停止电动机。并且还有限位开关34和34’，当鞋类的鞋底分别达到最大和最小可允许高度时，限位开关进行切换。当开关被切换时，电动机20立即停止。电动机和控制电子装置由电池10供电。由于不管负载如何，电动机以给定的恒定速度旋转，并且垂直联接的剪式机构18和19具有线性传输功能，因此确保鞋类鞋底高度的恒定变化率以及相应恒定的人体提升速度，而没有任何颠簸。