本公開涉及摩擦納米發(fā)電機(jī)高電壓應(yīng)用領(lǐng)域，具體為一種摩擦高壓驅(qū)動(dòng)的頸部靜電防護(hù)裝置。

背景技術(shù)：

1、在眾多人體部位中，頸部作為連接頭部與軀干的關(guān)鍵樞紐，其安全性尤為重要。在高速行駛、劇烈運(yùn)動(dòng)或緊急制動(dòng)等場(chǎng)景下，人的頸部極易受到突如其來的加速度沖擊，導(dǎo)致頸椎損傷甚至更嚴(yán)重的后果。傳統(tǒng)的防護(hù)裝備如頸托、護(hù)頸器等，雖然能在一定程度上減輕傷害，但往往存在重量大、佩戴不舒適、依賴外部電源等局限性，難以滿足現(xiàn)代人對(duì)安全防護(hù)設(shè)備輕便化、智能化、可持續(xù)化的需求。在該背景下，設(shè)計(jì)一種新型的可穿戴頸部靜電防護(hù)裝置顯得尤為重要。

2、靜電吸附(electrostatic?adhesion，ea)作為一種極具潛力的電可控吸附技術(shù)，目前已廣泛被研究并應(yīng)用于主動(dòng)吸附夾持和機(jī)器人等領(lǐng)域。一般情況下，靜電吸附系統(tǒng)包括一組導(dǎo)電電極和絕緣層，該技術(shù)主要是通過給導(dǎo)體電極施加高電壓(約數(shù)千伏)，基于靜電感應(yīng)和極化機(jī)理可以在電極和被吸附物體之間產(chǎn)生靜電吸附力，從而實(shí)現(xiàn)吸附或抓取物體的效果。靜電吸附技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)是它適用于不同材料和環(huán)境，例如在光滑的玻璃或粗糙的鋼材等材料表面皆可產(chǎn)生相應(yīng)大小的靜電吸附力。其次，根據(jù)靜電吸附的基本原理，通?？刹捎萌嵝噪姌O材料(導(dǎo)電硅脂、銀納米線等)和薄膜軟材料(ito、pi等)相結(jié)合制備一個(gè)多層薄膜靜電吸附系統(tǒng)，使其可以較好地適應(yīng)平面、曲面或不規(guī)則復(fù)雜表面的物體。此外，靜電吸附技術(shù)具有低能耗性。靜電吸附通常需要數(shù)千伏的高電壓，但因電極絕緣不導(dǎo)通，實(shí)際運(yùn)行能耗通常在μw-mw之間，遠(yuǎn)低于其他吸附技術(shù)如負(fù)壓真空吸附技術(shù)等。相比已有的一些可控吸附技術(shù)如負(fù)壓吸附、磁力吸附、仿壁虎或其他仿生吸附，靜電吸附具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、材料適應(yīng)性廣、可用于特殊環(huán)境(低壓、真空等)和能耗低等優(yōu)勢(shì)。然而，為了保證有效吸附，可靠穩(wěn)定的高壓電源對(duì)于靜電吸附系統(tǒng)來說絕對(duì)是必不可少的。而商用高壓電源一般較為笨重，這也導(dǎo)致系統(tǒng)占用空間、復(fù)雜程度和制造成本的增加，從而限制了靜電吸附技術(shù)的應(yīng)用發(fā)展。此外，即使電源內(nèi)部電路存在保護(hù)機(jī)制，人工操作上千伏高壓電的過程中存在安全隱患。因此，為靜電吸附技術(shù)探尋安全可靠、高效環(huán)保、輕量便攜的先進(jìn)供電方案將是進(jìn)一步擴(kuò)展其應(yīng)用的重要思路。

3、此外，一種納米摩擦發(fā)電機(jī)(triboelectric?nanogenerator,簡(jiǎn)稱teng)技術(shù)的出現(xiàn)為許多小功率設(shè)備的供電方案提供了新思路。因其電壓高、制作簡(jiǎn)單、成本低、便攜、環(huán)保和低頻能量收集的高效性等特點(diǎn)，被認(rèn)為是一種極具潛力的將環(huán)境中機(jī)械能轉(zhuǎn)換為電能的創(chuàng)新技術(shù)，也因此受到了眾多科學(xué)家的廣泛關(guān)注與持續(xù)探索，其研究目的是回收利用在環(huán)境中廣泛分布的微納高熵機(jī)械能。基于修正的maxwell方程組位移電流，能夠有效地將高熵機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能或電信號(hào)。

4、當(dāng)前具有代表性的利用摩擦電高電壓驅(qū)動(dòng)的靜電吸附系統(tǒng)，如2018年國(guó)際期刊《acs?nano》第12卷第10期第10262-10271頁(yè)[1]中報(bào)道了一種基于摩擦電荷補(bǔ)充通道的自供電靜電吸附系統(tǒng)的電壓增強(qiáng)電路，其主要使用增強(qiáng)型teng為靜電吸附系統(tǒng)提供動(dòng)力，通過引入摩擦電荷補(bǔ)充通道使teng的開路電壓提升10倍，從而產(chǎn)生更高的靜電吸附力；2021年國(guó)際期刊《advanced?functional?materials》第31卷第38期第2104770頁(yè)[2]中報(bào)道了一種以機(jī)械能為動(dòng)力源的摩擦電軟體機(jī)器人(tesr)系統(tǒng)，其主要通過摩擦電效應(yīng)產(chǎn)生動(dòng)力源，控制一種柔軟可變形體的足部部件，產(chǎn)生靜電吸附并進(jìn)行爬行運(yùn)動(dòng)，最終可在不同材料表面和不同角度的斜坡上蠕動(dòng)攀爬，并成功在丙烯酸材料表面實(shí)現(xiàn)14.9mm/s的最大爬行速度。以上基于摩擦電的靜電吸附系統(tǒng)雖然都使用摩擦納米發(fā)電機(jī)技術(shù)成功產(chǎn)生靜電吸附，但卻沒有將基于摩擦電產(chǎn)生的靜電吸附作為一種靜電防護(hù)裝置，利用其達(dá)到動(dòng)能消耗和吸收效果，且沒有通過改變摩擦納米發(fā)電機(jī)的電學(xué)輸出特性來改變靜電吸附效果并達(dá)到靜電防護(hù)器件等效剛度的精準(zhǔn)調(diào)控。

5、現(xiàn)有技術(shù)：

6、[1]xu?l.,wu?h.,yao?g.,et?al.giant?voltage?enhancement?viatriboelectric?chargesupplement?channel?for?self-powered?electroadhesion[j].acs?nano,2018,12(10):

7、10262-10271.https://doi.org/10.1021/acsnano.8b05359

8、[2]liu?y.,chen?b.,li?w.,et?al.bioinspired?triboelectric?soft?robotdriven?by?mechanicalenergy[j].advanced?functional?materials,2021,31(38):2104770.

9、https://onlinelibrary.wiley.com/doi/abs/10.1002/adfm.202104770

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本公開旨在至少解決現(xiàn)有技術(shù)中存在的技術(shù)問題之一。

2、為此，本公開提供的一種摩擦高壓驅(qū)動(dòng)的頸部靜電防護(hù)裝置，將teng技術(shù)與圍脖的靜電吸附機(jī)制相結(jié)合，利用teng輸出的高電壓來產(chǎn)生靜電吸附，可以實(shí)現(xiàn)圍脖的自供電，增加防護(hù)圍脖的便攜性和實(shí)用性；進(jìn)一步地，本頸部靜電防護(hù)裝置將在人體頸部受到較大加速度時(shí)給予一定程度的保護(hù)作用，圍脖本體由摩擦納米發(fā)電機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過加速度計(jì)感知頸部所受的即時(shí)加速度，當(dāng)加速度超過一定閾值時(shí)將輸入摩擦高電壓驅(qū)動(dòng)圍脖本體，從而瞬間調(diào)節(jié)圍脖本體的總體剛度，實(shí)現(xiàn)圍脖本體剛度的智能化實(shí)時(shí)調(diào)控。

3、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本公開采用如下技術(shù)方案：

4、本公開提供的一種摩擦高壓驅(qū)動(dòng)的頸部靜電防護(hù)裝置，包括動(dòng)力源、摩擦供電單元、圍脖本體、電路管理單元和控制單元；

5、所述動(dòng)力源，用于驅(qū)動(dòng)所述摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)；

6、所述摩擦供電單元，用于在所述動(dòng)力源的驅(qū)動(dòng)下基于摩擦發(fā)電和靜電感應(yīng)原理輸出高壓交流電；

7、所述電路管理單元，連接于所述摩擦供電單元與所述圍脖本體之間，用于對(duì)所述摩擦供電單元輸出的高壓交流電進(jìn)行整流后輸出用于產(chǎn)生靜電吸附所需的直流電；

8、所述圍脖本體，包括圍脖基底和布設(shè)于其外周面的靜電吸附單元，所述靜電吸附單元由呈陣列形式排布的若干第一吸附片和第二吸附片組成；同一排中的所述第一吸附片和所述第二吸附片依次交替設(shè)置且存在重疊，同一排中的相鄰兩同種吸附片之間彼此不接觸，同一列中的相鄰兩吸附片之間彼此不接觸；各相重疊的所述第一吸附片與所述第二吸附片在所述電路管理單元輸出的直流電驅(qū)動(dòng)下產(chǎn)生靜電吸附作用，改變所述圍脖本體的整體剛度，對(duì)佩戴者的頸部起到防護(hù)作用；

9、所述控制單元，用于控制所述摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和/或所述電路管理單元輸出的直流電的大小，以調(diào)節(jié)所述圍脖本體的整體剛度，滿足不同的防護(hù)需求。

10、在一些實(shí)施例中，所述動(dòng)力源的能量來源包括電能、風(fēng)能、太陽(yáng)能、水能、振動(dòng)能及收集的生物機(jī)械能。

11、在一些實(shí)施例中，所述摩擦供電單元為旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，所述摩擦供電單元的定子包括依次疊設(shè)的第一電極基板、第一電極和摩擦層一，所述摩擦供電單元的動(dòng)子包括摩擦層二和驅(qū)動(dòng)板，所述摩擦層二呈扇葉狀，其一端固接于所述驅(qū)動(dòng)板上，另一端彎曲一定程度，并利用自身的回彈與所述摩擦層一緊密接觸，所述摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子通過法蘭連接件與所述動(dòng)力源固接連接。

12、在一些實(shí)施例中，所述第一電極由兩個(gè)不相連的電極形成整體呈圓環(huán)狀的叉指電極。

13、在一些實(shí)施例中，所述第一吸附片和所述第二吸附片均分別包括依次層疊的介電層、第二電極和基底層，所述介電層應(yīng)完全覆蓋所述第二電極，且相重疊的所述第一吸附片和所述第二吸附片中的介電層相對(duì)設(shè)置；各第二電極皆通過導(dǎo)線引出接線端，且各第一吸附片的導(dǎo)線匯聚于一根第一主導(dǎo)線后接入所述電路管理單元的第一輸出端，各第二吸附片的導(dǎo)線匯聚于一根第二主導(dǎo)線后接入所述電路管理單元的第二輸出端。

14、在一些實(shí)施例中，各吸附片均呈魚鱗狀。

15、在一些實(shí)施例中，所述電路管理單元包括至少一個(gè)整流電路，每個(gè)整流電路分別配備有至少一個(gè)控制開關(guān)，各控制開關(guān)受所述控制單元的控制，使相應(yīng)的一個(gè)整流電路連接至所述摩擦供電單元與所述圍脖本體之間。

16、在一些實(shí)施例中，所述電路管理單元中整流電路的類型包括全波整流電路和倍壓整流電路。

17、在一些實(shí)施例中，所述頸部靜電防護(hù)裝置還包括加速度計(jì)，并在所述圍脖基底面向佩戴者頸部的一側(cè)設(shè)有內(nèi)襯；

18、所述加速度計(jì)固定于所述內(nèi)襯與所述圍脖基底之間，所述加速度計(jì)用于采集佩戴者頸部的加速度信號(hào)并將其傳輸至所述控制單元；所述控制單元根據(jù)所述加速度計(jì)采集的加速度信號(hào)調(diào)節(jié)所述摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和/或根據(jù)所述加速度計(jì)采集的加速度信號(hào)控制所述電路管理單元對(duì)所述摩擦供電單元輸出的高壓交流電的整流幅度，從而調(diào)節(jié)輸入所述圍脖本體的直流電大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述圍脖本體整體剛度的智能調(diào)節(jié)。

19、在一些實(shí)施例中，所述頸部靜電防護(hù)裝置還包括與所述控制單元連接的調(diào)節(jié)按鈕，通過所述調(diào)節(jié)按鈕選擇所述頸部靜電防護(hù)裝置的工作模式，所述工作模式包括智能工作模式和恒定工作模式；當(dāng)選擇所述智能工作模式時(shí)，所述控制單元根據(jù)所述加速度計(jì)采集的加速度信號(hào)實(shí)現(xiàn)對(duì)所述圍脖本體整體剛度的智能調(diào)節(jié)；當(dāng)選擇所述恒定工作模式時(shí)，所述控制單元根據(jù)所選工作模式的檔位，調(diào)節(jié)所述摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和/或控制所述電路管理單元對(duì)所述摩擦供電單元輸出的高壓交流電的整流幅度，從而使輸入所述圍脖本體的直流電大小處于相應(yīng)檔位對(duì)應(yīng)的直流電大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)圍脖本體整體剛度不同檔位的調(diào)節(jié)。

20、本公開具有如下有益效果：

21、本公開實(shí)施例提出的一種摩擦高壓驅(qū)動(dòng)的頸部靜電防護(hù)裝置，采用摩擦納米發(fā)電機(jī)實(shí)現(xiàn)頸部靜電防護(hù)圍脖裝置的驅(qū)動(dòng)及其等效剛度的調(diào)節(jié)功能。主要功能實(shí)現(xiàn)模塊包括動(dòng)力源、摩擦供電單元、電路管理單元、靜電防護(hù)圍脖本體和控制單元，由動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動(dòng)并產(chǎn)生高壓交流電，隨后摩擦供電單元輸出的交流電經(jīng)過電路管理單元調(diào)節(jié)后驅(qū)動(dòng)靜電防護(hù)圍脖產(chǎn)生靜電吸附力，從而改變靜電防護(hù)圍脖的整體剛度，以抵擋部分外界沖擊，起到保護(hù)作用。摩擦納米發(fā)電機(jī)(teng)采用圓盤式設(shè)計(jì)，使其成為旋轉(zhuǎn)式摩擦納米發(fā)電機(jī)，可通過電機(jī)進(jìn)行操控輸出穩(wěn)定交流電，也可通過人工手搖方式使其旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)自供電，此外，驅(qū)動(dòng)源也可以是其他用于收集人體運(yùn)動(dòng)能量的teng，如采用收集人體運(yùn)動(dòng)能量的teng來驅(qū)動(dòng)智能圍脖。同時(shí)，裝置內(nèi)設(shè)有加速度計(jì)，用于采集佩戴者頸部的加速度信號(hào)并將其傳輸至所述控制單元，控制單元根據(jù)所述加速度計(jì)采集的加速度信號(hào)直接調(diào)節(jié)摩擦供電單元的轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速和/或根據(jù)加速度計(jì)采集的加速度信號(hào)控制所述電路管理單元對(duì)摩擦供電單元輸出的高壓交流電的整流幅度，從而調(diào)節(jié)輸入圍脖本體的直流電大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)所述圍脖本體整體剛度的智能動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，以滿足實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景中的不同需求。