CN106494596B - 一种基于智能软材料的沉浮装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于智能软材料的沉浮装置，包括：沉浮腔，所述沉浮腔包括一端具有开口的密封瓶，所述的开口密封有驱动薄膜，沉浮腔内充有气体使驱动薄膜膨出形成可变形空间；沉浮腔内设有：气压传感器，监测沉浮腔内的气压值并传送至控制器；加速度传感器，监测沉浮腔的运动状态并传送至控制器；控制器，接收并处理气压传感器和加速度传感器传送的监测信息，输出控制信息控制驱动薄膜的变形；电源，为驱动薄膜、气压传感器、加速度传感器和控制器提供动力。该沉浮装置体积小，结构简单，控制精度高，并且产生的噪音小。

Description

一种基于智能软材料的沉浮装置

技术领域

本发明涉及软体智能材料驱动控制领域，尤其涉及一种基于智能软材料的沉浮装置。

背景技术

水下浮力平台常用于搭载监测仪器，用于水下地质调查、环境和水文参数测量、生物考察等。沉浮装置安装在水下浮力平台上，用于实现水下浮力平台的下沉和上浮，或者调解水下浮力平台的姿势。

传统的沉浮装置多为机械结构，其工作时会产生噪音，惊扰周围的水生生物，并且其控制的浮力输出结果是离散的，且本身除了腔体之外还需要笨重的电机等硬质固件，在装配应用时存在结构设计上的不便。

例如，公开号为CN105730655A的中国专利文献公开了一种小型水下航行器沉浮装置，该装置采用步进电机作为驱动机构；步进电机驱动丝杠旋转，丝杠与螺母配合带动中间支板移动，中间支板带动两个活塞机构运动时同步吸水或排水，使两个活塞筒中的储水量改变。

公开号为CN102910274A的中国专利文献公开了一种水下浮动平台深度与姿态自动调节装置及方法，该装置包括两个姿态传感器、四个压力传感器、四个绞车、电机驱动器、光电复合缆、控制主机、光纤适配器和供电单元。所有传感器和绞车均安装在水下浮动平台上，电机驱动器、控制主机、光纤适配器和供电单元均位于岸上。

上述沉浮装置的采用电机驱动，浮力输出结果离散，工作噪音较大，结构也比较复杂。

目前，智能软材料已经成为了众多科学家和实验室研究的重点，其中，智能软材料的驱动也作为新兴的一种驱动方式成为了世界研究的焦点。

目前研究者们对于智能软材料进行了全方位的研究，通过电驱动的方式，实现了一种新型的无噪声的驱动方式。而在对于驱动效果和驱动能力的控制方面，目前所采用的控制方式主要有两种方式，一种是利用智能软材料在驱动过程中的一些电学性能例如电容，电阻等的反馈控制来进行；另一种方式是利用一些机械结构或者力学、位移传感器等进行反馈控制。这两种反馈控制的方式仍然有以下两种方式的不足：

(1)控制精度的不足；

(2)传感反馈信息装置过大，不利于软体机器人的小型化。

由于以上两种不足的限制，电驱动的软体智能材料的驱动能力的精确控制成为了限制软体材料应用的重要因素。

发明内容

本发明提供一种基于智能软材料的沉浮装置，该沉浮装置体积小，结构简单，控制精度高，并且产生的噪音小。

一种基于智能软材料的沉浮装置，包括：

沉浮腔，所述沉浮腔包括一端具有开口的密封瓶，所述的开口密封有驱动薄膜，沉浮腔内充有气体使驱动薄膜膨出形成可变形空间；

沉浮腔内设有：

气压传感器，监测沉浮腔内的气压值并传送至控制器；

加速度传感器，监测沉浮腔的运动状态并传送至控制器；

控制器，接收并处理气压传感器和加速度传感器传送的监测信息，输出控制信息控制驱动薄膜的变形；

电源，为驱动薄膜、气压传感器、加速度传感器和控制器提供动力。

智能软材料是指在外加激励(不包含力场)，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下，产生的自由形变相对显著并且肉眼可见的特殊材料，其为一种柔性材料，力学特性偏软，刚度和模量很小，其自由形变可恢复；本征应变是指材料在外加激励，例如电场、磁场、热场、光场、电磁场、热磁场的作用下产生的形变，这种形变不需要依赖外界的力载荷，也即这种形变是材料本身产生的，例如热胀冷缩现象。

驱动薄膜是利用智能软材料的本征应变产生驱动力，作为优选，本发明中所涉及的本征应变为电场作用。

本发明的驱动薄膜在电源提供的驱动电压的作用下发生形变(收缩和舒张)，驱动薄膜膨出的可变形空间的体积发生变化，从而沉浮腔排开水的体积发生变化，实现沉浮腔的上浮或者下沉；通过气压传感器和加速度传感器监测沉浮腔的运动状态并传送给控制器，控制器对监测信息进行处理，并通过调整驱动电压来调节驱动薄膜的形变，形成一套完整的闭环控制模式，实现对沉浮装置的精确控制。

作为优选，所述的驱动薄膜包括至少一层上下表面均覆有柔性电极的介电弹性体薄膜。

可以根据不同的工况，调整介电弹性体薄膜的材质与其表面柔性电极的组合。作为优选，所述的柔性电极为碳膏或导电凝胶。

作为优选，所述的介电弹性体薄膜为聚丙烯酸薄膜、硅橡胶薄膜、丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜或矛氨酯薄膜。

在压力变化比较缓慢的场合，宜选择聚丙烯酸薄膜；在环境温度较高的工作环境下，宜选择硅橡胶薄膜；在压力比较大的场合，宜选用丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜；在油性工作场合下可以选择矛氨酯薄膜。

可以根据实际的工况与要求，可以调整驱动薄膜的厚度。驱动薄膜越厚，则可测量载荷越大，厚度过大时，即使施加大的驱动电压也只能发生较小的形变，驱动薄膜越薄，可测量载荷越小，但灵敏度越高。

作为优选，所述的驱动薄膜的厚度大于0且小于0.5mm。

考虑到可实施性，进一步优选的，所述的驱动薄膜的厚度为0.05～0.2mm，最优的，所述的驱动薄膜的厚度为0.1mm。

所述的驱动薄膜可以直接密封固定在密封瓶的开口上，也可以先对驱动薄膜进行一定的等双轴预拉伸(沿着薄膜平面的两个垂直方向上进行等比双轴预拉伸)后密封固定在密封瓶的开口上。对驱动薄膜进行等双轴预拉伸可以调节驱动薄膜对驱动电压的灵敏度，并且可以调节在相同的压力下，驱动薄膜的变形量。

作为优选，所述的驱动薄膜中每层介电弹性体薄膜均处于等双轴预拉伸状态，等双轴预拉伸值为100～150％。最优选的，等双轴预拉伸值为120％。

作为优选，所述的沉浮腔设有充气口。

通过充气口向沉浮腔内充气或向沉浮腔外排气，调节沉浮腔内的气压，从而调节驱动薄膜膨出的体积，改变驱动薄膜的等双轴预拉伸值。

为克服单层驱动薄膜的驱动能力有限的问题，可以通过叠加多层驱动薄膜以提高其整体驱动力。

作为优选，相邻两层介电弹性体薄膜中，上层介电弹性体薄膜下表面的柔性电极与下层介电弹性体薄膜上表面的柔性电极共用。

本发明的驱动薄膜在实际使用时，针对任意一层介电弹性体薄膜，在其上、下表面的电极层上施加驱动电压，通过外加驱动电源提供。

本发明的驱动电压大小为3kV～10kV，可通过4V小电压通过振荡稳压得到。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

(1)不需要复杂的机械机构，驱动力的使用效率高；

(2)不需要采用大型传感设备，噪声小，隐蔽性强；

(3)小型可控大电压电路可以直接置于装置内部，集成度高；

(4)驱动薄膜柔软，易于改变自身形态适应装配环境，可以将本发明的沉浮装置装配于不规则空间内；

(5)控制精度高。

附图说明

图1为本发明的基于智能软材料的沉浮装置的剖面结构示意图。

其中：1、密封瓶；2、开口；3、驱动薄膜；4、密封盖；5、可变形空间；6、密封环；7、充气口。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，本发明的基于智能软材料的沉浮装置包括密封瓶1、驱动薄膜3，密封瓶1上端具有开口2，驱动薄膜3通过密封环6将密封瓶的开口2密封起来，密封瓶1的下端通过密封盖4进行密封。密封瓶1、驱动薄膜3和密封盖4形成密封的沉浮腔，沉浮腔内充有气体，驱动薄膜3在气体的作用下向外膨出形成球冠状可变形空间5。

密封瓶1为亚克力管，其为圆柱状，底面直径60mm，高100mm。

密封环6有一个，是直径为65mm的圆环，驱动薄膜3通过密封环6密封在密封瓶的开口2上。

驱动薄膜3包括2层上、下表面均覆有柔性电极的介电弹性体薄膜。介电弹性体薄膜的材料为VHB4910，每层介电弹性体薄膜通过鼓入空气均处于等双轴预拉伸状态，预拉伸前的厚度为1mm，等双轴预拉伸值为120％。

本发明的介电弹性体薄膜处于沉浮腔内的内表面覆有导电凝胶，外表面与水接触，内表面的导电凝胶与电源的正极连接，电源的负极与地线连接。

密封瓶1上开设有充气口7，地线从充气口7引出，充气口7可以对沉浮腔进行充气或放气。通过充气口7对沉浮腔进行充气或放气可以改变介电弹性体薄膜的等双轴预拉伸值，调节介电弹性体薄膜对电压的灵敏度。

沉浮腔内设有小电压电源(图中未示出)，本发明利用4V小电压通过振荡稳压得到6KV～9KV的可控高电压，为驱动薄膜3提供驱动电压。

沉浮腔内还设置有气压传感器和加速度传感器(图中未示出)，分别监测沉浮腔内的气压变化合沉浮腔的运动状态。

沉浮腔内还设有控制器(图中未示出)，用于接收并处理气压传感器和加速度传感器的监测数据，输出控制信息控制驱动薄膜的变形。

控制器包括驱动控制电路，驱动控制电路包括底层电压驱动电路和上层电路。上层电路单片机通过传感器读取气压信号、速度信号、加速度信号并作出运算处理，输出电压控制信号到底层电压驱动电路，底层电压驱动电路根据电压控制信号调整改变高压输出端的电压值以控制驱动薄膜的变形，从而实现沉浮装置的下沉和上浮。

气压传感器、加速度传感器和控制器与电源电连接。

本发明的基于软体智能材料的沉浮装置的控制原理如下：

通过外接的高压电源给驱动薄膜内表面的电极和外表面的电极加上完全相反的电荷，即内表面的电极加上正电荷，外表面的电极加上负电荷，电极层产生吸引力，该吸引力对驱动薄膜产生一个沿着薄膜平面法向的挤压作用，使得原本经过预拉伸的介电弹性体薄膜变薄，面积增大，整体效果是使得驱动薄膜舒展开来；同时，内表面的电极的正电荷之间相互排斥，使得内表面的电极各部分之间产生排斥力，同理外表面的电极各部分之间也产生排斥力，由于内表面的电极、外表面的电极均直接贴在介电弹性体薄膜上，因此其效果也使得介电弹性体薄膜舒展。

而介电弹性体薄膜由于经过预拉伸，具有回弹力，与沉浮腔内部气压形成平衡状态。在通电之前通过鼓入空气使驱动薄膜膨出形成球冠状的可变形空间，当通电之后，由于驱动薄膜的舒展效果，可变形空间舒张，体积变大，整体的沉浮装置的浮力增大，装置上浮。

可变形空间体积增大，通过热力学公式可推导，沉浮腔的气压减小，通过沉浮腔内部的气压传感器可以感知到这一变化，并将其反馈到控制器，通过单片机对反馈信息进行处理，可以自动调整输出到驱动薄膜上的电压幅值，改变可变形空间的体积，进而改变浮力，达到闭环反馈控制。

因此，通过改变驱动电压的大小改变可变形空间的体积，从而实现沉浮装置的上浮或下沉。

该驱动控制方式的沉浮装置在水下时产生的噪声非常小，经测量仅有20分贝左右。

以上所述的实施例对本发明的技术方案和有益效果进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充和等同替换等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，包括：

沉浮腔，所述沉浮腔包括一端具有开口的密封瓶，所述的开口密封有驱动薄膜，沉浮腔内充有气体使驱动薄膜膨出形成可变形空间；所述的驱动薄膜包括至少一层上下表面均覆有柔性电极的介电弹性体薄膜；

沉浮腔内设有：

气压传感器，监测沉浮腔内的气压值并传送至控制器；

加速度传感器，监测沉浮腔的运动状态并传送至控制器；

控制器，接收并处理气压传感器和加速度传感器传送的监测信息，输出控制信息控制驱动薄膜的变形；

电源，为驱动薄膜、气压传感器、加速度传感器和控制器提供动力。

2.根据权利要求1所述的基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，相邻两层介电弹性体薄膜中，上层介电弹性体薄膜下表面的柔性电极与下层介电弹性体薄膜上表面的柔性电极共用。

3.根据权利要求1所述的基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，所述的驱动薄膜中每层介电弹性体薄膜均处于等双轴预拉伸状态，等双轴预拉伸值为100～150％。

4.根据权利要求3所述的基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，所述的驱动薄膜的厚度大于0且小于0.5mm。

5.根据权利要求1所述的基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，所述的介电弹性体薄膜为聚丙烯酸薄膜、硅橡胶薄膜、丙烯酸吡咯酮乙酯薄膜或矛氨酯薄膜。

6.根据权利要求1所述的基于智能软材料的沉浮装置，其特征在于，所述的沉浮腔设有充气口。