CN102338069A - 电致动人工肌肉泵及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种电致动人工肌肉泵及其控制方法，泵腔外安装有支座，泵腔的一端连接导流管，泵腔另一端与泵盖连接，在泵腔与泵盖的结合面夹有隔膜，人工肌肉片安装在隔膜靠泵盖的一面，电控单向阀A连接导流管的入口，电控单向阀B连接导流管的出口，电控单向阀B处的导流管安装有蓄能器，人工肌肉片、电控单向阀A和电控单向阀B通过导线连接驱动控制器。当泵运行时，通过驱动控制器在各人工肌肉片上施加一定形式的等幅、同频的交流电压激励人工肌肉片进行弯曲振动，并通过该振动带动弹性隔膜进行收缩和扩张运动，从而改变泵腔的容积，从而实现泵送功能。

Description

电致动人工肌肉泵及其控制方法

 

技术领域

本发明涉及流体泵，属于机械泵中的变容积泵领域，具体地说是一种利用电致动人工肌肉的电致应变效应实现流体泵送功能的医学操作用小流量泵，尤其涉及电致动人工肌肉泵及其控制方法。

技术背景

 医用流体输送装置是一类重要医疗器具，在医学操作和手术中发挥极为重要的作用。例如，在腹腔镜检查和内窥镜检查中，就需采用流体泵向患处输送药物，在血液透析或心脏手术中，也需利用泵向血透机或人工心肺机输送血液，此外泵还经常用于采集人体体液，以便进行医学分析。目前，绝大多数医用泵都采用正排量泵和离心泵。

正排量泵利用齿轮、螺旋、滚柱等部件将流体从吸入端吸入泵腔，再将流体输至排出端，具有流量稳定，抽吸力强，压头稳定和结构简单等特点。离心泵则通过泵轴带动叶轮旋转，驱使流体在离心力作用下由叶片流道甩向叶轮出口，再经蜗壳收集后送入排出管，它具有空间占用小、噪声小、成本低且无脉动现象等特点，但是离心泵的抽吸力较低、水头小且摩擦损失较大。正排量泵和离子泵包括有齿轮泵、蠕动泵、活塞泵、径向叶轮泵、轴流泵等多种型式。不管是正排量泵还是离心泵，它们通常都需利用电动机或内燃机进行直接或间接驱动。

 现有的正排量泵和离心泵技术正日臻成熟，在生产和生活等各领域已得到广泛使用。但尽管如此，这些泵也存在一定的不足，比如，在它们的泵腔内通常需要设置一个较大的转子系统，这使得泵结构变得比较复杂。特别是，转子系统通常还与流体直接接触（如叶轮泵、齿轮泵），这就大大增加了流体受污染的可能性，从而也制约了其在医学领域的应用。在这种条件下，不断推出全新的泵送技术来解决此类问题，并丰富流体泵的型式，就变得非常有必要。

发明内容

本发明的目的在于提供一种利用电致动人工肌肉（IPMC）作动器的电致弯曲应变效应实现流体泵送的技术及装置，并具有结构简单、泵送效率高、低电压驱动、能实现精密流量控制等优点。

本发明通过以下技术方案来实现上述目的。电致动人工肌肉泵，包括泵腔、泵盖、导流管、隔膜、人工肌肉片、电控单向阀A、电控单向阀B、蓄能器、驱动控制器和支座，泵腔外安装有支座，泵腔的一端连接导流管，泵腔另一端与泵盖连接，在泵腔与泵盖的结合面夹有隔膜，人工肌肉片安装在隔膜靠泵盖的一面，电控单向阀A连接导流管的入口，电控单向阀B连接导流管的出口，与电控单向阀B相连接的导流管上安装有蓄能器，人工肌肉片、电控单向阀A和电控单向阀B通过导线连接驱动控制器。

所述泵腔的一端封闭面上设置有连接导流管的开口，另一端为管状且外周边设置有法兰盘。

所述泵盖为半圆凹形，其一端外周边设置有与泵腔管状端对应的法兰盘，另一端为封闭凹面，且设有通孔。

所述人工肌肉片均布于隔膜上。

所述隔膜为封闭弹性膜片，厚度为0.15mm～0.5 mm。

电致动人工肌肉泵的控制方法：

1）驱动控制器向人工肌肉片提供占空比为50%连续可调的双极性方波激励信号，信号的幅值为1V～10V，输出激励信号的频率为0.1Hz～10Hz；

2）泵抽吸时，通过驱动控制器控制电控单向阀A通电，开启导流管的入口，同时电控单向阀B断电，关闭导流管出口，对两片隔膜上的人工肌肉片通入正电压，激励人工肌肉片并驱使隔膜同步向泵盖凹形面弯曲；

 3）泵排时，通过驱动控制器控制电控单向阀A关闭，操控关闭导流管的入口，并对电控单向阀B进行通电以打开出口，对两片隔膜上的人工肌肉片通入负电压，激励人工肌肉片并驱使隔膜同步向泵腔内弯曲；

4）导流管上安装的蓄能器吸收系统脉动，缓和液压冲击，吸收系统压力突变时的冲击；

5）通过抽吸和泵排两个过程完成泵送循环。

本发明的技术效果是：（1）泵的电--机能量转换过程通过人工肌肉片来进行，从而实现了流体泵驱动的无原动机化，并提高了泵的运行效率；（2）泵以人工肌肉片为执行件对弹性隔膜直接驱动，可省去传统流体泵所需的庞杂的运动机构，从而简化了泵的结构；（3）由于作为泵的执行件人工肌肉片不与流体接触，因此能避免执行件对流体的污染；（4）由于人工肌肉片的驱动电压比较低（通常低于10V），因此该泵可低电压驱动运转；（5）由于改变人工肌肉的驱动电压幅值即能改变人工肌肉的致动量，进而能改变泵容积幅度，改变人工肌肉片的驱动频率便可改变泵送速度，这就使该泵能实现精密流量控制。

附图说明

图1是本发明的外形结构示意图。

图2是本发明的原理图。

图3是本发明的结构剖视图。

图4是图3中人工肌肉在隔膜上的配置方式示意图。

图5是本发明的泵吸状态剖视图。

图6是本发明的泵排状态剖视图。

图中：1—泵腔，2—泵盖，21—盖孔，3—导流管，4—隔膜，5—人工肌肉片，51—导线，6—电控单向阀A，7—电控单向阀B，8—驱动控制器，9－蓄能器，10-支座。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明，参见图1～6，电致动人工肌肉泵，包括泵腔1、泵盖2、导流管3、隔膜4、人工肌肉片5、电控单向阀A6、电控单向阀B7、蓄能器9、驱动控制器8和支座10，泵腔1外安装有支座10，泵腔1的一端连接导流管3，泵腔1另一端与泵盖2连接，在泵腔1与泵盖2的结合面夹有隔膜4，人工肌肉片5安装在隔膜4靠泵盖2的一面，电控单向阀A6连接导流管3的入口，电控单向阀B7连接导流管3的出口，与电控单向阀B7相连接的导流管3上安装有蓄能器9，人工肌肉片5、电控单向阀A6和电控单向阀B7通过导线连接驱动控制器8。

所述泵腔1的一端封闭面上设置有连接导流管3的开口，另一端为管状且外周边设置有法兰盘。

所述泵盖2为半圆凹形，其一端外周边设置有与泵腔1管状端对应的法兰盘，另一端为封闭面，且设有通孔21。

所述人工肌肉片5均布于隔膜4上。

所述隔膜4为封闭弹性膜片，厚度为0.15mm～0.5 mm。

电致动人工肌肉泵的控制方法：

1）驱动控制器8向人工肌肉片5提供占空比为50%连续可调的双极性方波激励信号，信号的幅值为1V～10V，输出激励信号的频率为0.1Hz～10Hz；

2）泵抽吸时，通过驱动控制器8控制电控单向阀A6通电，开启导流管3的入口，同时电控单向阀B7断电，关闭导流管3出口，对两片隔膜4上的人工肌肉片5通入正电压，激励人工肌肉片5并驱使隔膜4同步向泵盖2凹形面弯曲；

3）泵排时，通过驱动控制器8控制电控单向阀A6关闭，操控关闭导流管3的入口，并对电控单向阀B7进行通电以打开导流管3出口，对隔膜4上的人工肌肉片5通入负电压，激励人工肌肉片5并驱使隔膜4同步向泵腔1内弯曲；

4）导流管3上安装的蓄能器9吸收系统脉动，缓和液压冲击，吸收系统压力突变时的冲击；

5）通过抽吸和泵排两个过程完成泵送循环。

众所周知电致动聚合物（EAP），又称电致动人工肌肉，是一类在外电场诱导下，能通过改变其内部结构而产生弯曲、伸缩、束紧或扭变等多种机械行为的高分子聚合物，其电致量大、响应快、机电耦合效率高。在各种EAP中，最具代表性的是金属与离子型聚合物的合成物（IPMC），这种EAP的电致动应变效应是建立在其内部带电水合阳离子扩散运动的基础上，它在较低电压（小于10V）作用时，可产生明显弯曲。利用IPMC的这种电致弯曲效应，可实现许多机电功能，本发明所推出的泵送装置正是基于IPMC人工肌肉。

参见图2和图3，该泵包括泵腔1、泵盖2、导流管3、隔膜4、人工肌肉片5、电控单向阀A6、电控单向阀B7、驱动控制器8、蓄能器9和支座10。驱动控制器8通过导线分别与人工肌肉片5、电控单向阀A6和电控单向阀B7连接，泵盖2为半圆凹形，其一端外周边设置有与泵腔1管状端对应的法兰盘，另一端为封闭面，且设有通孔21。人工肌肉片5的电线穿过通孔21，连接驱动控制器8；电控单向阀A6和电控单向阀B7也分别通过导线连接驱动控制器8。

当泵运行时，通过驱动控制器8在各人工肌肉片5上施加一定形式的等幅、同频的交流电压激励人工肌肉片5进行弯曲振动，并通过该振动带动弹性隔膜4进行收缩和扩张运动，从而改变泵腔1的容积，从而实现泵的泵送功能。

实施例：本发明的最佳实施方式是设计成具有两个泵腔1的结构，并且在两个泵腔1中各设置了一个封闭的高弹性的隔膜4以用于改变泵腔1的容积，采用两个泵腔1的的主要目的在于增大泵的抽吸力和泵送能力，并可弥补人工肌肉片5输出动力较小之不足。若要增大泵的排量，还可视情况为该泵配置3个或更多的泵腔1。电致动人工肌肉泵运转时的驱动电压小于10V。

附图4给出了基于电致动人工肌肉泵运转时的泵吸状态。图中可见，为使泵能从蓄流槽中把流体吸入泵腔1，必须先对电控单向阀A 6进行通电，开启导流管3的入口，如此同时需对电控单向阀B 7进行断电，以关闭出口；与此同时，需对两片隔膜4上的所有人工肌肉片5通入极性为正的电压以激励人工肌肉片5同步向外弯曲，驱使两片隔膜4向外伸展，从而使泵腔1的容积增大，在泵腔1内形成一定的真空度以利于流体的吸入。

 附图5给出了基于电致动人工肌肉泵运转时的泵排状态。由图可看出，为保证吸入泵内的流体能从泵腔1向出流口排出，需先关断电控单向阀A6的操控电压以关闭导流管3的入口，并对电控单向阀B7进行通电以打开出口；与此同时，还需对两片隔膜4上的所有人工肌肉片5通入极性为负的电压以激励人工肌肉片5同步向内弯曲，从而使两片隔膜4向内收缩，使泵腔1容积变小，在泵腔1内形成一定流体压强以便排出泵腔1内的流体。

 基于电致动人工肌肉泵每完成一个抽吸和泵排动作，便实现其一个泵送循环，本发明就是通过不断地重复上述泵送循环来实现流体的连续输送。

电控单向阀A6和电控单向阀B7均采用电磁操控方式。电控单向阀的操控频率必须与人工肌肉的激励频率相同，并且作用在电控单向阀A6上的操控信号必须与人工肌肉片5的激励信号同相，但作用在电控单向阀B7上的操控信号必须与人工肌肉片5的激励信号反相。两个电控单向阀之所以采用电磁操控方式而不采用传统的机械操纵方式，主要是考虑人工肌肉片5的输出动力不太大。

 图3给出了人工肌肉片5在弹性隔膜4上的配置方式。图中可见，为了实现对隔膜4的有效驱动，需将8片或更多的人工肌肉片5沿隔膜4的径向位置均布于隔膜4表面。在工程应用中，也可根据实际需要与条件，确定人工肌肉片5的配置方式及数量。理论上讲，所配置的人工肌肉片5越多，泵的抽吸能力就越强，其排量也将越大。

 人工肌肉片5必须采用软性胶粘贴在隔膜4的表面，这样能避免隔膜4和人工肌肉片5因粘胶的固化而失去柔性，也能避免人工肌肉片5出现电致效应衰退现象。

 为了尽可能增大隔膜4的泵吸能力，宜尽量采用多层人工肌肉片5或厚层大动力人工肌肉片5作为隔膜4的驱动件。

 在人工肌肉通电配置方面，与隔膜4直接接触的人工肌肉片5表面上的电极需接电源的负极，而背离隔膜4表面的人工肌肉片5上的电极应接驱动电源的正级。

 为了保证两片隔膜4在泵腔1内有节奏地同步进行扩张和收缩，两个泵腔1中隔膜4的配置方式是：两片隔膜4未贴置人工肌肉片5的表面必须处于“面对面”的状态，而贴有人工肌肉片5的表面则应呈“背靠背”的布置。

隔膜4采用高弹橡胶材料制成，隔膜4的厚度宜控制在0.10mm～0.3 mm，并且隔膜4应具有较高弹性和足够的强度。

 驱动控制器8的主要作用是：为人工肌肉片5提供激励与控制信号。为了提高单片人工肌肉片5的驱动效率和输出动力，驱动控制器8必须为人工肌肉片5提供占空比为50%的双极性方波激励信号，并且信号的幅值宜处于1V～10V范围内，并能连续可调；输出激励信号的频率则应在0.1Hz～10Hz范围内连续可调。

 本发明是通过泵腔1的缩张来实现流体的泵送，必然会引起导流管3出口流量出现一定程度的脉动。为避免这种状况，本发明在电控单向阀B7的导流管3出流口处附近设置月一个蓄能器9。当在某个泵送循环中，泵出的流量偏大，部分多余的流体自动流入蓄能器9；而若泵腔输出流量偏小，则蓄能器9将流出一定的流体以补偿流量的不足，蓄能器9还可吸收系统脉动，缓和液压冲击；蓄能器9能吸收系统压力突变时的冲击，这样就达到了稳定泵的输出流量和系统压力的目的。

置于导流管3旁的左、右两泵腔1分别通过螺纹密封连接导流管3，泵盖2通过螺纹连接泵腔1，在泵腔1与泵盖2的结合面上分别压了一层弹性隔膜4，人工肌肉片5连接在隔膜4上，电控单向阀A6连接在导流管3的入口处，电控单向阀B7连接导流管3的出口处，蓄能器9连接导流管3，人工肌肉片5通过导线连接驱动控制器8。

Claims (6)

1.电致动人工肌肉泵，包括泵腔（1）、泵盖（2）、导流管（3）、隔膜（4）、人工肌肉片（5）、电控单向阀A（6）、电控单向阀B（7）、蓄能器（9）、驱动控制器（8）和支座（10），其特征在于，泵腔（1）外安装有支座（10），泵腔（1）的一端连接导流管（3），泵腔（1）另一端与泵盖（2）连接，在泵腔（1）与泵盖（2）的结合面夹有隔膜（4），人工肌肉片（5）安装在隔膜（4）靠泵盖（2）的一面，电控单向阀A（6）连接导流管（3）的入口，电控单向阀B（7）连接导流管（3）的出口，与电控单向阀B（7）相连接的导流管（3）上安装有蓄能器（9），人工肌肉片（5）、电控单向阀A（6）和电控单向阀B（7）通过导线连接驱动控制器（8）。

2.根据权利要求1所述的电致动人工肌肉泵，其特征在于，所述泵腔（1）的一端封闭面上设置有连接导流管（3）的开口，另一端为管状且外周边设置有法兰盘。

3.根据权利要求1或2所述的电致动人工肌肉泵，其特征在于，所述泵盖（2）为半圆凹形，其一端外周边设置有与泵腔（1）管状端对应的法兰盘，另一端为封闭面，且设有通孔（21）。

4.根据权利要求1所述的电致动人工肌肉泵，其特征在于，所述人工肌肉片（5）均布于隔膜（4）上。

5.根据权利要求1所述的电致动人工肌肉泵，其特征在于，所述隔膜（4）为封闭弹性膜片，厚度为0.15mm～0.5 mm。

6.一种如权利要求1所述的电致动人工肌肉泵的控制方法，其特征在于，

1）驱动控制器（8）向人工肌肉片（5）提供占空比为50%连续可调的双极性方波激励信号，信号的幅值为1V～10V，输出激励信号的频率为0.1Hz～10Hz；

2）泵抽吸时，通过驱动控制器（8）控制电控单向阀A（6）通电，开启导流管（3）的入口，同时电控单向阀B（7）断电，关闭导流管（3）出口，对两片隔膜（4）上的人工肌肉片（5）通入正电压，激励人工肌肉片（5）并驱使隔膜（4）同步向泵盖（2）凹形面弯曲；

3）泵排时，通过驱动控制器（8）控制电控单向阀A（6）关闭，操控关闭导流管（3）的入口，并对电控单向阀B（7）进行通电以打开导流管（3）出口，对隔膜（4）上的人工肌肉片（5）通入负电压，激励人工肌肉片（5）并驱使隔膜（4）同步向泵腔（1）内弯曲；

4）导流管（3）上安装的蓄能器（9）吸收系统脉动，缓和液压冲击，吸收系统压力突变时的冲击；

5）通过抽吸和泵排两个过程完成泵送循环。

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