[發明專利]摩擦納米發電機及制備方法、自供能傳感系統及關節角度檢測方法

在審

• 申請號: 202110038924.0
• 申請日: 2021-01-12
• 公開（公告）號: CN112751502A
• 公開（公告）日: 2021-05-04
• 發明（設計）人: 黃龍彪;韓建成
• 申請（專利權）人: 深圳大學
• 主分類號: H02N1/04
• 分類號: H02N1/04;A61B5/11;B29C64/10;B33Y10/00;B33Y80/00
• 代理公司: 廣州粵高專利商標代理有限公司 44102
• 代理人: 張金福

1.一種基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于，包括可相對轉動的第一摩擦發電部件(1)和第二摩擦發電部件(2)；所述第一摩擦發電部件(1)包括第一基底層(11)、設置在第一基底層(11)表面的摩擦單元(12)，所述若干摩擦單元(12)以第一基底層的幾何中心為圓心間隔排列；所述第二摩擦發電部件(2)包括第二基底層(21)、設置在第二基底層(21)表面的第一電極(22)、第二電極(23)，若干第一電極(22)和若干第二電極(23)以第二基底層(21)的幾何中心為圓心相互間隔設置，且第一電極(22)與第二電極(23)之間設有間隙；第一基底層(11)和第二基底層(21)通過彼此設有的凸緣(24)和凹槽(13)插裝在一起，使摩擦單元(12)與第一電極(22)和第二電極(23)能相互轉動及接觸摩擦；其中第一摩擦發電部件(1)和第二基底層(21)采用4D打印制備而成。

2.根據權利要求1所述的基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于所述4D打印采用形狀記憶聚合物或自修復材料，采用熔融沉積式打印、油墨直寫打印或數字光處理打印。

3.根據權利要求1所述的基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于所述摩擦單元(12)表面具有凸起或凹槽。

4.根據權利要求1所述的基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于在所述第二基底層(21)表面噴涂具有導電物質的溶液并將溶劑揮發后得到所述第一電極(22)和第二電極(23)，所述導電物質包括銀納米線、碳納米管或石墨烯。

5.根據權利要求1所述的基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于所述第一基底層(11)和第二基底層(21)的縱向截面形狀為多邊形或曲邊形。

6.根據權利要求1所述的基于4D打印技術的摩擦納米發電機，其特征在于每個所述摩擦單元(12)對應的圓心角為a，相鄰兩個摩擦單元(12)之間相隔相同的圓心角b；每個第一電極(22)對應的圓心角為c，每個第二電極(23)對應的圓心角為e，其中a＝c＝d，b＝c+2*e。

7.一種自供能傳感系統，其特征在于將權利要求1-6任一項所述基于4D打印技術的摩擦納米發電機裝配在關節處，其中第一摩擦發電部件(1)和第二摩擦發電部件(2)裝設在關節的一側，當關節發生運動時帶動其中一個摩擦發電部件與另一個摩擦發電部件之間發生相對轉動從而產生交流電信號，根據交流電信號的特征即可推斷關節運動的角度。

8.一種基于權利要求7所述自供能傳感系統的關節轉動角度的檢測方法，包括以下步驟：

S1、分別測得不同轉動角度下所述摩擦納米發電機輸出電信號的相位，并建立“轉動角度—輸出電信號相位”的對應關系表；

S2、實時獲取安裝在關節處的所述自供能傳感系統的輸出電信號，并對所述輸出電信號做進行平滑和降噪處理；

S3、檢測步驟S2中經過平滑和降噪處理后的輸出電信號對應的相位信息；

S4、根據步驟S1中標定“轉動角度-輸出信號相位”的對應關系表，將輸出電信號的相位信息進行匹配；

S5、根據S4中輸出電信號的相位信息與轉動角度的匹配結果，獲取關節轉動角度。

9.根據權利要求8所述的基于自供能傳感系統的關節轉動角度的檢測方法，其特征在于在步驟S2中，在關節處同時安裝多個自供能傳感系統，相應地在步驟S3中求取多個經過平滑和降噪處理后的輸出電信號對應的相位信息的平均值作為最終的相位信息。

10.一種權利要求1-7任一項所述的4D打印技術的摩擦納米發電機的制備方法，其特征在于包括以下步驟：

S1、設計出獨立層式摩擦納米發電機模型；

S2、建模后對該模型的工作過程進行受力分析并對電勢場分布進行仿真測試；

S3、將測試好的模型導入切片軟件進行切片分層，根據模型的實際結構選擇加工順序并生成加工指令；

S4、將加工指令導入3D打印機，分別完成對第一摩擦發電部件(1)和第二基底層(21)的打印加工；若加工過程中打印產品出現不符合使用要求的問題，則返回S1，重新完成模型的設計和仿真測試并生成新的加工指令；

S5、將打印加工完成的第二基底層(21)的表面使用噴涂機噴涂摻有導電物質的揮發溶液，將溶劑揮發后即可得到第一電極(22)和第二電極(23)；

S6、將制備有第一電極(22)和第二電極(23)的第一基底層(11)和第二基底層(21)裝配成摩擦納米發電機。