跑道面层、储能跑道、智能跑道与运动数据监测方法与流程

1.本发明属于智能运动设备技术领域，具体涉及跑道面层、储能跑道、智能跑道与运动数据监测方法。


背景技术：

2.田径运动是历史最悠久、普及最广泛、门槛最低的运动类型，而跑道是田径运动的场地。最初的田径运动，人们只能在户外运动，并没有特定的跑道，在维多利亚时代则出现了少量的煤渣跑道，化学合成高分子跑道的首次出现是在墨西哥城。目前的跑道可以提供较好的缓冲减震性能。但是却不能提供运动者的运动状态参数，在智能化物联网化的当下，对跑道进行智能化设计，是非常必要并且有意义的，也是未来跑道发展的重要方向。
3.现有的智能跑道主要是由外置各种传感器组成，如中国专利 (cn110424209a)一种智能化健身跑道，其智能化健身跑道就是需要将各种不同的智能设备，包括照明灯，声敏电阻，摄像组件等和主电源相连，因此该智能跑道必须通过外置电源来给相关用电器供电，这种智能化的方式并没有对跑道本身做出更改，只是在现有跑道的基础上添加了外置的设备。
4.中国专利(cn208351279u)，提供了一种基于压力传感器的智能化跑道，该智能跑道需要将一系列的传感器放置于跑道底端，但是这一传感器和跑道本身是没有很好的相容性的，在满足布线要求的前提下还需要考虑跑道的耐久性，同时因此该压力传感器之和压力大小有关，因此对于不同的运动员，有可能会出现同样的反馈结果，分辨性太低。
5.中国专利(cn206189237u)公开了一种人工智能塑胶跑道，包括跑道本体，所述跑道本体由两个直跑部和两个弯曲部构成，所述其中一个直跑部的外侧竖向安装有控制板，所述控制板前端设置有操作屏，所述控制板顶部固定有太阳能板，所述控制板内装配有蓄电池、信号接收器、存储器和plc控制器且四者之间依次电性连接，所述蓄电池与太阳能板配合，所述两个弯曲部上均安装有测速器，所述跑道本体内填充有两层橡胶层，两层橡胶层之间安装有测力器，所述测力器和测速器均与信号接收器讯号连接，通过播报器进行数据的播报，可以很清楚的了解各个运动员跑步的时长以及跑道本体的安全性是否得到保障，设计新颖，值得推广。该专利申请是通过所述测力器和测速器实现运动员的跑步测量，但是测力器和测速器相对成本较高，而且测力器是间隔设置，总有检测不到的地方，这会导致检测结果不准确，影响实际使用效果。这些传感器需要外置电源，并且精度受环境影响较大。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于解决上述现有技术中存在的难题，本发明提供一种跑道面层，能够直接将运动的机械能转化为电能，能够在几乎不降低导电性能的条件下，提高导电层与摩擦层的结合强度。
7.本发明是通过以下技术方案实现的：一种跑道面层，包括摩擦层与导电层，所述摩擦层采用绝缘橡胶复合材料制成，所述导电层采用导电橡胶材料制成，摩擦层与导电层之
间通过共硫化后形成的界面层结合为一体。
8.进一步的，摩擦层与导电层采用同种橡胶材料作为基体材料。
9.进一步的，所述基体材料为三元乙丙橡胶、硅橡胶或天然橡胶。
10.进一步的，摩擦层所用绝缘橡胶复合材料的填料为白炭黑；导电层所用导电橡胶材料的填料为碳纳米管或高导电炭黑。
11.进一步的，摩擦层为白炭黑/天然橡胶复合材料，白炭黑的份数为40phr；导电层为碳纳米管/天然橡胶复合材料，碳纳米管的份数为5～15phr。
12.进一步的，摩擦层为白炭黑/硅橡胶复合材料，白炭黑的份数为25phr；导电层为高导电炭黑/硅橡胶复合材料，高导电炭黑的份数为20phr。
13.进一步的，摩擦层为白炭黑/三元乙丙橡胶复合材料，白炭黑的份数为 30phr；导电层为高导电炭黑/三元乙丙橡胶复合材料，高导电炭黑的份数为 5～20phr。
14.本发明还提供一种智能跑道，解决现有技术中传感器与跑道之间的装配方式难以满足运动数据采集需求的技术问题，无需在跑道上安装传感器，能够均匀、连续的采集运动数据。
15.本发明是通过以下技术方案实现的：一种智能跑道，包括本发明所提供的跑道面层，所述跑道面层铺装在跑道基底上；跑道面层的导电层通过接地导线接地，从而形成单电极式的摩擦纳米发电机；接地导线上接入电信号采集装置以采集由摩擦层上的运动所产生的电信号。
16.本发明还提供一种运动数据监测方法，通过本发明所提供的智能跑道监测由运动产生的电流信号；根据电流信号的波形判断运动员身份；根据电流信号的频率与半峰宽判断运动类型；根据电流信号的峰值间的间隔确定运动步频。
17.本发明还提供一种储能跑道，包括本发明所提供的跑道面层，所述跑道面层铺装在跑道基底上；跑道面层的导电层通过接地导线接地，从而形成单电极式的摩擦纳米发电机；接地导线上接入充电装置以储存由摩擦层上的运动所产生的电能。
18.与现有技术相比，本发明的有益效果是：
19.1、摩擦层与导电层可形成单电极式的摩擦纳米发电机，因此本发明的跑道面层能够直接将运动的机械能转化为电能。在摩擦层上任一位置运动均能产生电信号，因此能够均匀连续的采集运动数据。不同的运动状态所引起的电信号的形态不相同，因此能够采集不同运动员或不同运动形式所引起的电信号。本发明的跑道面层用于运动员运动数据的传感、跑道周边配套设施的供电以及多余电能的储存，在实现智能化的同时，回收了能量，一举两得。
20.2、为了获得有效能量输出，现有技术中采用低电阻率电的金属材料材作为导电层，然而，本发明采用电阻率较高的导电橡胶材料作为导电层，缩小了摩擦层与导电层的性质差异，使得摩擦层与导电层更容易一体化结合。
21.3、本发明选择了电阻率较大的导电橡胶作为导电层，但是导电层和摩擦层进行共硫化后具有极好的界面性能，因此保证了较好的最终发电性能，甚至在一定的参数配比下还能提高输出能量。
22.4、现有技术中，摩擦纳米发电机的摩擦层与导电层之间的结合是通过胶粘、涂敷、表面镀层等手段来实现，结合强度较低，在外力作用下容易发生分离，难以承受较强的运动
荷载，使得导电层均无法在摩擦层长期发生周期性形变的情况下长时间工作。本发明通过共硫化的方式制备一体式的摩擦纳米发电机，使得摩擦层与导电层之间形成了共硫化界面，提高了摩擦层与导电层的结合强度，能够承载较强的运动荷载冲击。
23.5、共硫化的难点和挑战在于选择合适的材料，让两种橡胶材料在性质性能上尽可能的接近，同时界面会有相互的渗透和扩散，以达到较好的效果。一般跑道面层材料为介电材料，具有高电阻、高弹性、低损耗、中等硬度的特点，而导电层材料为低电阻、低弹性、高损耗、高硬度的材料，这两种材料性能迥异，本技术方案通过调整导电性和机械性能，将导电层的性能和摩擦层调整到了比较接近的状态，使得其共硫化后可以实现较好的性能。
附图说明
24.图1是跑道面层的结构示意图；
25.图2为的智能跑道的工作原理图；
26.图3为实施例1的发电过程示意图；
27.图4为第一实施例中为不同填料份数制成的跑道面层的短路电流信号；
28.图5为第一实施例为不同填料份数制成的跑道面层的开路电压信号；
29.图6为实施例1中同种摩擦层搭配不同导电层的测试结果；
30.图7为三个不同的运动员在该跑道面层上的运动所产生的输出电流信号；
31.图8为实施例2中同种摩擦层搭配不同导电层的测试结果；
32.图9为实施例2中不同工艺制备得到的试样的剥离强度；
33.图10为实施例3中跑道面层的剥离强度试验数据；
34.图11为实施例3中同种摩擦层搭配不同导电层的测试结果。
具体实施方式
35.下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
36.参考图1所示，跑道面层由摩擦层1与导电层2一体复合而成：摩擦层1 采用橡胶或橡胶复合材料制成，导电层2采用导电橡胶制成，摩擦层1与导电层2通过共硫化的方式结合固定，即摩擦层1与导电层2之间通过共硫化后形成的界面层结合为一体。
37.跑道面层的导电层2通过接地导线连接接地区域4，以与大地进行电子交换。接地导线上串联接地电阻或负载3，电压采集电路通过并联在接地电阻或负载两端进行电压采集，接地导线上还可以串联电流采集电路与充电电路等外外电路。
38.电压采集电路与电流采集电路用于运动员运动数据的传感，充电电路用于多余电能的储存，负载电路用于跑道周边配套设施的供电，在实现智能化的同时，回收了能量，一举两得。
39.目前的智能跑道需要依赖于外部电源，使得结构复杂。本发明提供了一种智能跑道，将本发明的跑道面层铺设在跑道基底上，使得智能跑道在少量能源供应的情况下就可以工作，甚至实现自供电。更重要的是，跑道面层接通外电路即可实现运动数据采集。
40.参考图2所示，跑道基底包括水泥基底层7、水泥基底层7通过粘合层6 粘接缓冲层5，跑道面层铺设在缓冲层5上。
41.下面对智能跑道将机械能转化为电能的原理进行说明。
42.参考图2所示，根据接触起电效应，不同介电材料之间接触分离会产生静电，不断接触分离就能在电路中产生交变电流，摩擦跑道面层铺设在跑道基底上，运动者在智能跑道上运动时，运动鞋底(常采用eva泡沫制成)作为一种介电材料可与摩擦层不断发生接触与分离，导电层接地可与大地进行电子交换。具体过程如下：鞋底与摩擦层具有不同的化学特性，因此对电荷的吸引力不同，例如eva和天然橡胶纳米复合材料对电荷具有不同的吸引力，因此当两种材料相互接触时，在材料表面会发生电荷分离，使得鞋底带上负电，摩擦层带上正电，而后随着鞋底与摩擦层的分开，正负电荷中心会发生分离，此时由于导电层离摩擦层更近，因此会排斥导电层中的负电荷向接地区域移动，或者吸引接地区域的正电荷向导电层移动。当分离距离最大时，导电层中的电荷密度最高，而后随着鞋底和摩擦层的接近，摩擦层中的正电荷对导电层中的正电荷排斥力增加，鞋底中的正电荷对导电层负电荷吸引力也会增加。因此导电层中的正电荷受排斥力向接地区域移动，或者导电层中的负电荷受吸引力从接地区域流向导电层。
43.实施例1
44.本实施例中，摩擦层为天然橡胶和白炭黑的复合材料；导电层所采用的导电橡胶为天然橡胶和碳纳米管的复合材料，摩擦层与导电层通过共硫化的方式结合固定，跑道面层尺寸(长宽高)为30mm*30mm*2mm，使用线性电机带动 eva泡沫层(运动鞋底常用材料)相对于摩擦层运动，模拟了运动者和跑道的接触分离状态，发电过程如图3所示。
45.图4为第一实施例中产生的短路电流，摩擦层分别为不同填料份数10phr、 20phr、30phr、40phr的白炭黑(牌号为383)，导电层的填料为碳纳米管(牌号7011)，填料份数均为40phr，仅仅9平方厘米即可产生大约4到5微安的电流。
46.图5为第一实施例产生的开路电压，分别为不同填料份数10phr、20phr、 30phr、40phr 383白炭黑，导电层的填料份数均为40phr碳纳米管，仅仅9平方厘米即可产生大约18到26v的电压。
47.可以发现不同的材料都可以产生一定的电信号输出，同时这样数量级的电信号，是可以用来点亮一些小型的led灯珠的。也可以用来给电容器充电，可以将16v，330μf的电容器在2分钟内充电到1v。
48.为更好的说明输出能量得到提高这一有益效果，提供如下对比例，如图6 所示，图6中展示了同种摩擦层(40phr 383)搭配不同导电层的测试结果： reference组为导电层(10phr 7011)直接用双面胶和摩擦层粘贴的测试结果，其输出电压为13.1v。导电层(5phr 7011)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为34.1v；导电层(10phr 7011)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为33.8v；导电层(15phr 7011)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为35.0v；导电层(20phr 7011)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为35.0v；cu film组为导电层(铜箔)粘贴在摩擦层室上的测试结果，其输出电压为27.4v。
49.综上，本发明第一实施例的摩擦纳米发电机能够将机械能转化为电能，且适用于智能发电跑道等设备中以实现回收部分机械能，达到自驱动智能跑道或者低耗电智能跑道的目的。
50.实施例2
51.摩擦层为硅橡胶和白炭黑的复合材料；为导电橡胶，导电层所采用的导电橡胶为
硅橡胶和高导电炭黑的复合材料。摩擦层与导电层通过共硫化的方式结合固定。
52.实施例二尺寸较大，为420*315*15(mm)，因此该材料的测试过程全部通过不同人在其上运动来得到真实的运动数据，图7为三个不同的运动员在该跑道单元上的运动时输出电流信号。每一行为不同的人，每一列为不同的运动形式，第一列为原地跑步，第二列为走路，第三列为跳跃。从图7中可以清楚的看出，不同的运动员在同种运动形式下得到的电流信号是完全不同的，因此可以通过检测电流信号来监测不同运动员的运动状态。
53.可以从电流信号的峰值之间的间隔很容易看出运动的频率，结合运动员本身的步长和生理数据，可以很容易的得到运动数据。
54.对于多个运动者同时在智能跑道上运动，可以按如下方式获取各个运动员的运动数据：不同运动员都会具有不同的步态特征，而不同的步态特征和跑道的接触状态是不同的，这就意味着会产生不同的电流信号，同一运动员的电流信号波形是基本固定的，只是频率，半峰宽等信息会有变化，因此可以通过电脑自动分波以及傅里叶转化的方式进行信号处理，该系列操作在多信号处理中已有成熟方案。其难点主要在于跑道本身如何根据运动员的运动状态产生对应的信号。
55.如图8所示，图中展示了同种摩擦层(25phr 383白炭黑与110-2硅橡胶复合)搭配不同导电层的测试结果：reference组为导电层(20phr 600jd)直接用pu胶和摩擦层粘贴的测试结果，其输出电流为1.6μa。导电层(5phr 600jd) 与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为2.6μa；导电层(10phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为2.7μa；导电层(15phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为2.3μa；导电层(20phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为5.2μa；cu film组为导电层(铜箔)粘贴在摩擦层上的测试结果，其输出电压为2.7μa。
56.图9为两种不同工艺的剥离强度测试，摩擦层为25phr 383白炭黑与110-2 硅橡胶复合，导电层为20phr 600jd高导电炭黑与110-2硅橡胶复合，粘接工艺使用pu胶粘接，共硫化工艺为摩擦层与导电层在高温硫化仪中170℃，1.5mpa 压力下硫化得到。其180℃剥离强度如下图所示，共硫化剥离强度达到2.1n/mm, 远高于pu胶粘工艺的1n/mm。说明共硫化工艺，具有较好的界面强度。
57.实施例3
58.摩擦层为三元乙丙橡胶和白炭黑的复合材料；导电层所采用的导电橡胶为三元乙丙橡胶和高导电炭黑的复合材料。将本实施例的跑道面层(1000mm*1000mm*10mm)铺装到跑道基底上(导电层和缓冲层之间使用pu 胶掺杂胶粒作为复合粘合剂)，跑道基底的缓冲层为发泡eva材料，缓冲层通过粘合层粘贴到水泥基底上。该实施例性能和实施例二比较接近，此处主要是为了检测其作为跑道的可行性，实际铺装效果较好：在大剪切、高冲击、自然环境半年和高温热氧老化七天等一系列操作后，摩擦层与导电层之间均保持较好的粘接强度，图10为粘接强度数据，在该结构中，剥离强度达到3.6n/mm，一般认为大于2n/mm则符合施工要求。
59.为更好的说明输出能量得到提高这一有益效果，提供如下对比例，如图11 所示，图11中展示了同种摩擦层(30phr vn3和三元乙丙橡胶复合)搭配不同导电层的测试结果：reference组为导电层(20phr 600jd)直接用pu胶和摩擦层粘贴的测试结果，其输出电流为2.1μa。导电层(5phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为4.1μa；导
电层(10phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为4.2μa；导电层(15phr 600jd)与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为4.1μa；导电层(20phr 600jd) 与摩擦层共硫化制备得到的跑道面层的测试结果为4.3μa；cu film组为导电层 (铜箔)粘贴在摩擦层室上的测试结果，其输出电压为3.3μa。
60.上述技术方案只是本发明的几种实施方式，对于本领域内的技术人员而言，在本发明公开了原理的基础上，很容易做出各种类型的改进或变形，而不仅限于本发明上述具体实施例所描述的技术方案，因此前面描述的只是优选的，而并不具有限制性的意义。