基于摩擦勢能轉換的拐杖設計研究

楊璐然，李雪松

（山東華宇工學院，山東 德州 253034）

0 引言

當今世界，人類社會發展日益加速，能源短缺的問題也暴露出來，開發新的能源，利用新能源是現在的首要目的。人們的日常生活環境中存在大量可以利用的能量。平時的生活中處處存在著種種摩擦，產生了許多微小的機械能，如果我們能將這些能量儲存起來，那將是一種儲量很可觀的新能源。目前，社會老齡化日趨嚴重，老年人口比重加大，老年人出行不便，因此拐杖成為老年人們生活中不可缺少的一物，為了方便老年人夜間出行，可照明的拐杖應運而生，但是由于現存的照明拐杖使用的是電池為其供電，當電池沒電時，拐杖的照明功能就無法使用，會給老年人帶來不便。基于能量守恒定律研究可摩擦生電照明的拐杖，利用行走時拐杖低端與地面的摩擦產生的能量轉換存儲成為電能，供照明使用，夜間行走時照亮避免危險的發生。

1 系統設計方案

根據能量守恒定律，能量既不會被破壞也不會被創造，它只是從一種形式轉化為另一種形式，或從一個對象轉移到另一個對象，在轉化和轉移過程中，總能量保持不變。兩個不同的物體相互摩擦，其中一個帶正電荷，另一個帶負電荷，這種現象稱為摩擦生電。這是一種摩擦生電的現象，本質上涉及電荷的轉移。現代科學告訴我們，所有的物體都是由原子組成的，原子由一個帶正電荷的原子核和圍繞原子核運動的帶負電荷的電子組成。一般來說，原子核中的正電荷量等于原子核外電子的負電荷量，原子沒有電荷，所以整個物體是中性的。雖然原子核中的正電荷量難以改變，但原子核外的電子可以從原子核中逃逸出來，移動到另一個物體上，從而改變原子核外電子攜帶的負電荷量。當一個物體失去電子時，其電子的總負電荷量小于原子核的正電荷量，它就會出現正電荷；反之，當一個中性物體獲得電子時，它就會出現負電荷。當兩個物體相互摩擦時，一個必須失去一些電子，另一個必須獲得額外的電子，因為不同物體的原子核在原子核外結合電子的能力不同。例如，如果一根玻璃棒與絲綢摩擦，一些電子從玻璃棒轉移到絲綢上，玻璃棒因失去電子而帶正電，絲綢因獲得電子而帶等量的負電。當橡膠棒與毛皮摩擦時，毛皮上的一些電子轉移到橡膠棒上，毛皮帶正電，橡膠棒帶負電，數量相等。基于這兩種定律，本系統將拐杖低端與地面的摩擦產生的機械能，通過轉換存儲到拐杖里邊的蓄電池中，蓄電池儲能，蓄電池充滿能量，在夜間老人是使用拐杖時就可以用蓄電池中的能量將拐杖把手位置的燈照亮，拐杖頂端還帶有紅外線感應和雷達裝置，如走路使用過程中遇到障礙物而夜間又看不清的時候，就會自動提示老人前方有障礙物請繞行。

一種新型可摩擦充電的照明拐杖其底部支撐端內設有摩擦發電機組，摩擦發電機組由涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯和電極構成，所述摩擦發電機組的輸出端電性連接有蓄電池，蓄電池位于拐杖底部支撐端的中間位置，所述蓄電池與拐杖照明燈中鋰電池組電性連接。拐杖頂端把手位置有照明裝置和紅外感應裝置以及雷達，由蓄電池供電進行使用。

2 系統硬件設計

2.1 按壓式摩擦起電裝置

圖1 為最簡單的按壓式摩擦起電裝置，利用拐杖低端按壓地面會產生相應的摩擦，從而產生的機械能會被傳輸給低端存儲機械能，利用能量守恒以及能量轉換定律將按壓產生的機械能轉換為電能供給拐杖頂端照明裝置，本項目添加了蓄電池，產生的機械能除了傳送給頂端照明使用外，還可將多余機械能存儲在蓄電池中，以備不時之需。系統硬件應用到了此按壓式摩擦起電裝置、蓄電池、電燈泡（一般的照明裝置），照明電路即可完成此項目的整個過程，只是在拐杖低端會有一個能量轉換的過程，在此過程中能量轉換就是最重要的地方。在日常生活中，會存在多多少少的能量產生卻又損耗的情況，在當前進步飛速的社會，大力提倡太陽能生物質能的使用，就可以將日常生活中的產生的細小能量存儲起來加以利用，改善現狀。

圖1 簡單按壓摩擦起電裝置

2.2 紅外線感應和雷達裝置

紅外光被障礙物反射并被報警探頭接收。圖2 為紅外感應裝置電路圖。如果傳感器檢測到紅外光是靜止的，即它不斷地發射紅外光并不斷地反射回來，警報就不會響。當看不見的紅線被移動的物體突破時，傳感器將檢測到異常情況，并發出警報。外線報警器是由一個警報器和一個紅外探測器組成的報警系統。其中一個紅外探測器是一個弱信號檢測裝置。雷達操作其原理，是設備從發射器通過天線將電磁波能量射向空間的某一方向，在這一方向的物體遇到電磁波被反射，雷達天線接收這一反射波，送至接收裝置進行處理，提取有關該物體的一些信息（目標物體與雷達的距離、距離變化率或徑向速度、方位、高度等）這種裝置采用主動紅外報警和雷達裝置。當老人使用手杖夜行時，如果遇到障礙物，手杖頂部的紅外傳感器和雷達裝置會及時通知老人有障礙物要避開，以免發生危險。

圖2 紅外感應裝置電路圖

2.3 照明裝置

本系統照明電路裝置是由簡單的蓄電池照明電路，低端摩擦產生的機械能一部分直接轉換為電能照明電路，另一部分轉換成化學能存儲到蓄電池中，供夜間照明使用，這樣就最大程度地利用了使用拐杖時產生的機械能，改善了可能機械能在夜間不夠使用的情況，照明裝置在一定程度上會分走紅外線感應報警裝置和雷達的使用電流，所以在電路安排上使用兩塊內容并聯的電路，就不會出現他強他弱或者他壞他也壞掉的情況出現，延長了照明裝置的使用壽命。圖3 為簡單照明電路圖。

圖3 簡單照明電路

3 軟件設計

電極由石墨烯和聚乳酸的碳復合材料構成；蓄電池用于儲存電能和為拐杖照明燈中鋰電池組充電；鋰電池組為拐杖照明燈提供電能。利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能，在制作中用到的是質輕、低密度并且價廉的高分子材料，可以用來收集生活中原本浪費掉的各種形式的機械能，摩擦發電機組可以在使用拐杖行走時將路面與拐杖底部支撐端摩擦產生微小的機械能進行儲存和使用，保證老人夜間走路照明所需的電量，方便老人使用，解決老人的實際困難。以上所述僅為本實用新型的優選實施例而已，并不用于限制本實用新型，盡管參照前述實施例對本實用新型進行了詳細的說明，對于本領域的技術人員來說，其依然可以對前述各實施例所記載的技術方案進行修改，或者對其中部分技術特征進行等同替換。凡在本實用新型的精神和原則之內，所作的任何修改、等同替換、改進等均應包含在本實用新型的保護范圍之內。

4 具體實施方案

文中所設計拐杖具體為一種新型可摩擦充電的照明拐杖，利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能。在制作中用到的是質輕、低密度并且價廉的高分子材料，摩擦發電機組可以在使用拐杖行走時將路面與拐杖底部支撐端摩擦產生微小的機械能進行儲存和使用，解決掉電池沒電無法獲取光線的問題。如果本產品做出，會改變大部分依靠電池作用的工具，得以實現續航持久。利用現有技術進行改造，摩擦納米發電機可以用來收集生活中原本浪費掉的各種形式的機械能，同時還可以用作自驅動傳感器來檢測機械信號。這種機械傳感器在觸屏和電子皮膚等領域具有潛在應用。在不浪費機械能的情況下，將機械能轉換為電能為電池蓄電 拐杖就可以做到時刻有電，從而避免很多意外發生。

一種新型可摩擦充電的照明拐杖具體如圖4所示。包括拐杖底部支撐端1，所述拐杖底部支撐端1 采用復合導電材質制成，所述拐杖底部支撐端1 內設有摩擦發電機組2，摩擦發電機組2 為摩擦納米發電機，包括涂覆有銦錫氧化物的聚對苯二甲酸乙二醇酯和電極3 構成，所述電極3 由石墨烯和聚乳酸的碳復合材料構成，所述摩擦發電機組2 的輸出端電性連接有蓄電池4，蓄電池4 位于拐杖底部支撐端1 的中間位置，所述蓄電池4 與拐杖照明燈5 中鋰電池組6 電性連接，拐杖照明燈5 位于手杖的把手8 前端，紅外線及雷達裝置也置于8 內，鋰電池組6 位于手杖的杖體7 內部。

圖4 實物分析圖

當老年人在平時使用拐杖行走時的路面與拐杖底部支撐端1 產生一定摩擦，此時摩擦發電機組2 就起到了一種橋梁的作用，將摩擦產生微小的機械能轉換為電能，通過輸出端傳遞給蓄電池4，蓄電池4 與拐杖照明燈5 中鋰電池組6 電性連接為其充電。

其中，所述拐杖底部支撐端1 有基本的支撐作用，還可用于通過摩擦發電機組2 為拐杖照明燈5 中鋰電池組6 充電。

摩擦發電機組2 利用摩擦起電效應和靜電感應效應的耦合把微小的機械能轉換為電能，實現照明功能。總體流程圖如圖5所示。

圖5 總體流程圖

5 結論

有相當多的老人可能夜間不會使用本文所設計的照明拐杖，但是對于有些行動不便或者視力有些障礙的老人就可以使用本裝置，如果外出摔倒還會有紅外感應報警裝置，家人就可以迅速找到老人，縮短尋找時間，及時找到老人的位置。本裝置最大的創新點在于使用生活中的微小勢能來轉變成更多的能量供以使用。能源短缺是我們現在的主要問題，合理利用已有能源和開發新能源都是我們的主要解決途徑。對于本裝置，就是來自生活中的啟示，利用微小的能量解決大問題。