杨璐然，李雪松

（山东华宇工学院，山东 德州 253034）

0 引言

当今世界，人类社会发展日益加速，能源短缺的问题也暴露出来，开发新的能源，利用新能源是现在的首要目的。人们的日常生活环境中存在大量可以利用的能量。平时的生活中处处存在着种种摩擦，产生了许多微小的机械能，如果我们能将这些能量储存起来，那将是一种储量很可观的新能源。目前，社会老龄化日趋严重，老年人口比重加大，老年人出行不便，因此拐杖成为老年人们生活中不可缺少的一物，为了方便老年人夜间出行，可照明的拐杖应运而生，但是由于现存的照明拐杖使用的是电池为其供电，当电池没电时，拐杖的照明功能就无法使用，会给老年人带来不便。基于能量守恒定律研究可摩擦生电照明的拐杖，利用行走时拐杖低端与地面的摩擦产生的能量转换存储成为电能，供照明使用，夜间行走时照亮避免危险的发生。

1 系统设计方案

根据能量守恒定律，能量既不会被破坏也不会被创造，它只是从一种形式转化为另一种形式，或从一个对象转移到另一个对象，在转化和转移过程中，总能量保持不变。两个不同的物体相互摩擦，其中一个带正电荷，另一个带负电荷，这种现象称为摩擦生电。这是一种摩擦生电的现象，本质上涉及电荷的转移。现代科学告诉我们，所有的物体都是由原子组成的，原子由一个带正电荷的原子核和围绕原子核运动的带负电荷的电子组成。一般来说，原子核中的正电荷量等于原子核外电子的负电荷量，原子没有电荷，所以整个物体是中性的。虽然原子核中的正电荷量难以改变，但原子核外的电子可以从原子核中逃逸出来，移动到另一个物体上，从而改变原子核外电子携带的负电荷量。当一个物体失去电子时，其电子的总负电荷量小于原子核的正电荷量，它就会出现正电荷；反之，当一个中性物体获得电子时，它就会出现负电荷。当两个物体相互摩擦时，一个必须失去一些电子，另一个必须获得额外的电子，因为不同物体的原子核在原子核外结合电子的能力不同。例如，如果一根玻璃棒与丝绸摩擦，一些电子从玻璃棒转移到丝绸上，玻璃棒因失去电子而带正电，丝绸因获得电子而带等量的负电。当橡胶棒与毛皮摩擦时，毛皮上的一些电子转移到橡胶棒上，毛皮带正电，橡胶棒带负电，数量相等。基于这两种定律，本系统将拐杖低端与地面的摩擦产生的机械能，通过转换存储到拐杖里边的蓄电池中，蓄电池储能，蓄电池充满能量，在夜间老人是使用拐杖时就可以用蓄电池中的能量将拐杖把手位置的灯照亮，拐杖顶端还带有红外线感应和雷达装置，如走路使用过程中遇到障碍物而夜间又看不清的时候，就会自动提示老人前方有障碍物请绕行。

一种新型可摩擦充电的照明拐杖其底部支撑端内设有摩擦发电机组，摩擦发电机组由涂覆有铟锡氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯和电极构成，所述摩擦发电机组的输出端电性连接有蓄电池，蓄电池位于拐杖底部支撑端的中间位置，所述蓄电池与拐杖照明灯中锂电池组电性连接。拐杖顶端把手位置有照明装置和红外感应装置以及雷达，由蓄电池供电进行使用。

2 系统硬件设计

2.1 按压式摩擦起电装置

图1 为最简单的按压式摩擦起电装置，利用拐杖低端按压地面会产生相应的摩擦，从而产生的机械能会被传输给低端存储机械能，利用能量守恒以及能量转换定律将按压产生的机械能转换为电能供给拐杖顶端照明装置，本项目添加了蓄电池，产生的机械能除了传送给顶端照明使用外，还可将多余机械能存储在蓄电池中，以备不时之需。系统硬件应用到了此按压式摩擦起电装置、蓄电池、电灯泡（一般的照明装置），照明电路即可完成此项目的整个过程，只是在拐杖低端会有一个能量转换的过程，在此过程中能量转换就是最重要的地方。在日常生活中，会存在多多少少的能量产生却又损耗的情况，在当前进步飞速的社会，大力提倡太阳能生物质能的使用，就可以将日常生活中的产生的细小能量存储起来加以利用，改善现状。

图1 简单按压摩擦起电装置

2.2 红外线感应和雷达装置

红外光被障碍物反射并被报警探头接收。图2 为红外感应装置电路图。如果传感器检测到红外光是静止的，即它不断地发射红外光并不断地反射回来，警报就不会响。当看不见的红线被移动的物体突破时，传感器将检测到异常情况，并发出警报。外线报警器是由一个警报器和一个红外探测器组成的报警系统。其中一个红外探测器是一个弱信号检测装置。雷达操作其原理，是设备从发射器通过天线将电磁波能量射向空间的某一方向，在这一方向的物体遇到电磁波被反射，雷达天线接收这一反射波，送至接收装置进行处理，提取有关该物体的一些信息（目标物体与雷达的距离、距离变化率或径向速度、方位、高度等）这种装置采用主动红外报警和雷达装置。当老人使用手杖夜行时，如果遇到障碍物，手杖顶部的红外传感器和雷达装置会及时通知老人有障碍物要避开，以免发生危险。

图2 红外感应装置电路图

2.3 照明装置

本系统照明电路装置是由简单的蓄电池照明电路，低端摩擦产生的机械能一部分直接转换为电能照明电路，另一部分转换成化学能存储到蓄电池中，供夜间照明使用，这样就最大程度地利用了使用拐杖时产生的机械能，改善了可能机械能在夜间不够使用的情况，照明装置在一定程度上会分走红外线感应报警装置和雷达的使用电流，所以在电路安排上使用两块内容并联的电路，就不会出现他强他弱或者他坏他也坏掉的情况出现，延长了照明装置的使用寿命。图3 为简单照明电路图。

图3 简单照明电路

3 软件设计

电极由石墨烯和聚乳酸的碳复合材料构成；蓄电池用于储存电能和为拐杖照明灯中锂电池组充电；锂电池组为拐杖照明灯提供电能。利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能，在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料，可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，摩擦发电机组可以在使用拐杖行走时将路面与拐杖底部支撑端摩擦产生微小的机械能进行储存和使用，保证老人夜间走路照明所需的电量，方便老人使用，解决老人的实际困难。以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等均应包含在本实用新型的保护范围之内。

4 具体实施方案

文中所设计拐杖具体为一种新型可摩擦充电的照明拐杖，利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能。在制作中用到的是质轻、低密度并且价廉的高分子材料，摩擦发电机组可以在使用拐杖行走时将路面与拐杖底部支撑端摩擦产生微小的机械能进行储存和使用，解决掉电池没电无法获取光线的问题。如果本产品做出，会改变大部分依靠电池作用的工具，得以实现续航持久。利用现有技术进行改造，摩擦纳米发电机可以用来收集生活中原本浪费掉的各种形式的机械能，同时还可以用作自驱动传感器来检测机械信号。这种机械传感器在触屏和电子皮肤等领域具有潜在应用。在不浪费机械能的情况下，将机械能转换为电能为电池蓄电 拐杖就可以做到时刻有电，从而避免很多意外发生。

一种新型可摩擦充电的照明拐杖具体如图4所示。包括拐杖底部支撑端1，所述拐杖底部支撑端1 采用复合导电材质制成，所述拐杖底部支撑端1 内设有摩擦发电机组2，摩擦发电机组2 为摩擦纳米发电机，包括涂覆有铟锡氧化物的聚对苯二甲酸乙二醇酯和电极3 构成，所述电极3 由石墨烯和聚乳酸的碳复合材料构成，所述摩擦发电机组2 的输出端电性连接有蓄电池4，蓄电池4 位于拐杖底部支撑端1 的中间位置，所述蓄电池4 与拐杖照明灯5 中锂电池组6 电性连接，拐杖照明灯5 位于手杖的把手8 前端，红外线及雷达装置也置于8 内，锂电池组6 位于手杖的杖体7 内部。

图4 实物分析图

当老年人在平时使用拐杖行走时的路面与拐杖底部支撑端1 产生一定摩擦，此时摩擦发电机组2 就起到了一种桥梁的作用，将摩擦产生微小的机械能转换为电能，通过输出端传递给蓄电池4，蓄电池4 与拐杖照明灯5 中锂电池组6 电性连接为其充电。

其中，所述拐杖底部支撑端1 有基本的支撑作用，还可用于通过摩擦发电机组2 为拐杖照明灯5 中锂电池组6 充电。

摩擦发电机组2 利用摩擦起电效应和静电感应效应的耦合把微小的机械能转换为电能，实现照明功能。总体流程图如图5所示。

图5 总体流程图

5 结论

有相当多的老人可能夜间不会使用本文所设计的照明拐杖，但是对于有些行动不便或者视力有些障碍的老人就可以使用本装置，如果外出摔倒还会有红外感应报警装置，家人就可以迅速找到老人，缩短寻找时间，及时找到老人的位置。本装置最大的创新点在于使用生活中的微小势能来转变成更多的能量供以使用。能源短缺是我们现在的主要问题，合理利用已有能源和开发新能源都是我们的主要解决途径。对于本装置，就是来自生活中的启示，利用微小的能量解决大问题。