CN108327888A - 一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，设计了一种内部充满氦气的球体结构，通过增大其初始体积、电极密度和预加载等参数达到该软驱动器的大变形；结合Gent计算模型给出体积与压力的关系式，根据理想气体状态方程，得出了临界击穿电压与预拉伸率间的关系；分析了直流电大小、交流电幅值、频率等参数对机器人运动方向的影响。使用内部乳胶球破裂的方法，使介电弹性膜球体产生较大的体积扩张，进而球体系统产生上升的浮力和加速度。改变设计结构，机器人能够实现无线控制条件下的转动和平移等运动。另外，给介电高弹性球体驱动器连通大的无弹力腔体，使其实现可控的飞行运动，还可以搭载无线控制系统和载荷飞行。

Description

一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法

技术领域

本发明涉及一种使介电高弹性球体产生可控浮力技术，属于大变形方法技术领域。

背景技术

现代的无人飞行器在设计上大多使用金属元件构造。例如，机身和螺旋桨通常由铝或合金板材制作，并采用电动机作为执行机构。这些硬质材料和执行器虽然能够为一个完整的无人机系统提供合理的平衡结构，强度和重量，但它们在高要求的情况下也表现出了明显的局限性，例如进行低空摄影和观察灾害、天气等信息时，直升机在0～300米高度内无法飞行，也不安全；而且现有的飞行机器人在城市或森林等环境中，由于转子或螺旋桨旋转，会产生很强的噪音，且续航能力较短。基于软仿生驱动器的无人载物软飞行机器人不同于传统的基于电动马达的飞行机器人，这种软的机器人将由软执行器驱动，它们更加灵活，高载荷(相比自重)。例如，无人载物软飞行机器人与高科技物联网技术结合，应用于把互联网接入到现有设备信号不好的偏远地区，尤其是当这些地区遭受自然灾害时，此新型设备能够提高与外部世界的通信效率与准确性；软介电弹性体膜可以用来做出很多形状，比如平面，曲面等。在电压驱动状态下，介电弹性薄膜球体驱动器在高电压作用下体积显著增大，但是介电弹性球体在预拉伸状态时较难保持密封性，需要间隔地充气。

发明内容

为解决上述问题，本发明公开了一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，通过对介电高弹体载重飞行球体机器人的设计、开发和控制；采用数学计算模型描述球体厚度、内部压力与体积变化与仿真，包括施加的电压与球体内部压力、体积的关系，以及失效电压与球体变形量的定量分析；基于理想气体热力学平衡系统理论，分析球体充入相对空气较轻的气体以后，球体的压力与体积对控制系统的影响；施加高电压之后，球体变形对于浮力、载物重量与实现控制的影响；分析直流高压电大小，交流高压电的频率对于球体变形幅度，材料的机电不稳定性的影响；分析介电高弹体膜球形体飞行运动过程中Helmholtz自由能的变化，研究这种变化对升力产生的影响，最后达到介电高弹性球体产生可控的浮力，并实现各向运动的目标。

本发明提供一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，使用介电高弹体驱动器技术和理想气体状态方程等算法对球体进行大变形与浮力分析，包括以下步骤：

步骤1：当气球的初始体积足够大，气球在高压作用下的体积变化明显大于内部压强变化值，压力和电压随着时间t的变化，气球的动态行为比较复杂，为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Ф_dc和交流电压Ф_ac等：

其中ω是激励频率；ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路；

步骤2：时间独立的拉伸近似于：

λ(T)＝λ_eq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)

λ_eq：平衡的状态下的拉伸；

a和b：时间依赖的振幅；

DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：

ε₀和ε_r：真空介电常数和相对介电常数；

步骤3：在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即

R、H和W：分别为参考状态的半径、材料厚度和自由能；

Q：所施加的电荷；

r和p：变形后的半径和压力；

ρ:材料密度；

步骤4：根据热力学方程，密闭空间里存在

P₁V₁＝P₂V₂＝P₃V₃＝nRT

即：

因为存在r₃＝λ₂λ₁R；所以可得

本发明的进一步改进，所述的可控飞行运动为一种能够使介电高弹性球体系统进行低空摄影和观察灾害、天气等信息的方法。

本发明的进一步改进，所述的步骤4中测试方法如下：

步骤4.1：Maxwell应力为：ε₀为真空介电常数，E是电场强度。

电压值；

E：电场强度；

步骤4.2：由于电场

所以，结合Maxwell应力可得：

步骤4.3：在电场力作用下，软驱动飞行器存在机电不稳定性和电击穿，其中电击穿场强公式为：当材料的拉伸值为λ<5.7，电击穿强度为E_EB＝30.6×λ^1.13MV/m，当λ≥5.7，E_EB＝216MV/m。

本发明的进一步改进，所述的步骤4中测试方法如下：

步骤4.4：在系统飞行平衡状态下：

(m_系统+m_载荷)g＝(ρ_空气-ρ_氦气)gv₃

由于V₃＝4/3×π(λ₁λ₂R)³：

Δρ＝ρ_空气-ρ_氦气。

本发明的进一步改进，所述的步骤4中实现可控浮力的方法如下：

步骤4.5：

系统浮力可以通过下式计算

F_Buoyancy＝∮σdA＝-∫f_gas dV＝-ρ_gas×g∫dV＝-ρ_gas×gV

该浮力与重力方向相反，所以：

F_Buoyancy＝ΔρgV

步骤4.6：当DE球飞行时，存在：

F_Buoyancy≥mg

Δρ＝ρ_air-ρ_hielium

ΔρΔv＝m_load

本发明的有益效果是：

1、基于软介质高弹体驱动器体积变化，设计了飞行观测系统-氦气球；其体积值变化较大，可以控制的氦气球飞行高度理想；本系统耗能低，连续飞行时间较长；

2、能够通过增加VHB膜和乳胶球膜层数来达到系统的大变形，且驱动球体密封性好；

3、软球体驱动器的初始半径选择的较大，工作中的可控质量较多，系统的稳定性以及抗干扰性能强，电压所引起的加速度值也较理想。

附图说明

图1为本发明介电高弹性球体驱动器变形简图；

图2为本发明充气过程仿真图；

图3为本发明大变形方法图；

图4为本发明压力现象变化图；

图5为本发明无线数据收发流程图；

图6为本发明介电弹性体球形驱动器飞行图。

具体实施方式

下面结合附图与具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

本发明提供一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，本发明是往球体内充入氦气，当球体内压力大于大气压时，介电高弹体膜膨胀成为气球。兼容电极涂在球膜的外部和内部区域，施加高压直流或交流电时，球膜内外表面以及所覆盖的电极结构具有作为执行器的功能。施加电压对此软执行器形成开环控制系统，在初始状态下，球体系统的重量略大于浮力。在临界电压下，球体系统重量与浮力相等，系统处于平衡状态；当电压超过临界体积时，开始飞行；与此相反，当电压低于此临界值时，系统将会下降。此外，该系统也能够实现平移与旋转运动。

一种使介电高弹性球体产生可控浮力的计算方法，具体包括以下步骤：

步骤1：软驱动器在压力与电压作用下的变形状态，由于不可压缩性，介电体上每个单元的变形状态受力图，分别为三轴应力σ_θ,σ_r，如图1所示。软驱动球体用于实现飞行器的大变形、可控运动等。在预拉伸状态下，氦气或者空气充入到球体内，然后密封球体；在受驱动状态下，弹体膜在电压的作用膨胀，因为该结构是密封的，根据理想气体状态方程，得出整个系统体积等参数的变化。

(1)当压力和电压随着时间t的变化，气球的动态行为比较复杂。为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Ф_dc和交流电压Ф_ac等，ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路：

(2)时间独立的拉伸近似于：

λ(T)＝λ_eq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)

DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：

(3)在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即

(4)根据热力学方程，密闭空间里存在

P₁V₁＝P₂V₂＝P₃V₃＝nRT

即：

因为存在r₃＝λ₂λ₁R；所以可得

步骤2：对步骤1得到的介电弹性球体结构，初始半径已知的情况下，纯VHB球充气过程中气体压力随球体半径变化的关系如图2所示；

(1)图2a中由纯乳胶气球的制成的DE球驱动器，剪切模量μ＝350kPa，H＝0.25mm，J_lim＝35，介电常数ε＝3.5×8.85×10^-12F/m。

(2)相似条件下，乳胶气球的压力峰值远远大于VHB球壳内的峰值如图2b，而且橡胶的厚度也更薄，但是乳胶气球的极限拉伸比VHB球体小得多，也就是说，用电压驱动乳胶这种材料，非常容易破损而介电失效。在充气的过程中，乳胶球体内的压力逐渐增大，不同于VHB材料的非线性压力–拉伸曲线：随着气球膨胀，内部压力首先增大，达到峰值，然后减小，最后又急速增加到弹性材料的极限，图2b中所选的参数为μ＝20kPa，H＝1mm，J_lim＝125，ε＝4.7×8.854×10^-12。

(3)将气体充入DE膜球壳内的过程中，其内部假设初始半径R已知。压力的初始峰值一般出现在λ₁＝1.2和λ₁＝1.6之间；球壳的初始半径R的值越大，第一个峰值的压力就越小。

使用天然乳胶气球与VHB结合的方式获得大变形方法，如图3所示：

(1)施加电压给内部弹性体1；一个介电高弹体球体驱动器由两层不同的薄膜组成，各自被夹在三层电极之间。较硬的弹性体(天然乳胶)被用作内层称之为弹性体1，柔软的弹性体(VHB，3M)作为外层–弹性体2，碳脂用作兼容电极。

(2)由于内层弹性体是硬的，所以电压引起的变形通常很小；介电弹性体1在一定高压值下发生电击穿；

(3)继续给弹性体2球膜施加高电压使其继续变形。

图4展示的是具体的现象数据，再一次验证了DE球内部乳胶球的破裂能够实现软驱动器的飞行。气体压力作用于VHB球膜上，由于它的柔软度更大，所以在内部乳胶气球破裂后外层VHB球壳能够实现巨大的变形，对应的在图4a中，压力值从B点变换到了C点，但是如果仅仅驱动内部的乳胶球不发生破裂现象，DE球驱动器内部的压力变化比较小。然后将电压施加于外层VHB弹性体，DE球的压力和所对应的体积变化值分别如图4b和图4d所示，随着电压的增加，球体膨胀，DE球又从状态C点变换到D点；球体的侧视图分别显示在图4(e-h)中，相应的压力也在每一组图像里显示。

无线数据收发流程图5：

(1)硬件电路首先初始化，然后给端口、时钟、中断进行参数配置，无线模块与地面控制站之间是串口通信配置：

(2)XBee S2的无线收发程序设计

通过对XBee S2进行正确的参数配置以后，就能够实现数据的无线传输，其无线收发程序流程由图5给出。

图6为DE驱动器飞行图，介电高弹体球驱动器结构为一层VHB，一层乳胶结构，乳胶被电击穿后，整体系统上浮；上部提供浮力的球体和下部的驱动球体不连通。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非是对本发明作任何其他形式的限制，而依据本发明的技术实质所作的任何修改或等同变化，仍属于本发明所要求保护的范围。

Claims (5)

1.一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，使用介电高弹体驱动器技术和理想气体方程算法对球体进行大变形与浮力分析，其特征在于：包括以下步骤，

步骤1：当气球的初始体积足够大，气球在高压作用下的体积变化大于内部压强变化值；

压强和电压随着时间t的变化，气球的动态行为较复杂，为了说明的这种复杂性，我们规定一个静态压力p，直流电压Ф_dc和交流电压Ф_ac：

其中ω：激励频率；ω＝2πf；Ф＝0时，电路为纯电阻电路；

步骤2：时间独立的拉伸近似于：

λ(T)＝λ_eq+a(T)×cos(ωT)+b(T)×sin(ωT)

λ_eq：平衡的状态下的拉伸，

a和b：时间依赖的振幅；

DE驱动器的表面静电力，Maxwell应力为：

ε₀和ε_r：真空和相对的介电常数；

h：膜的实时厚度；

步骤3：在忽略了粘弹性力作用下，结合热力学方程，对于系统任意的变化，膜自由能的变化与由电压、压力和惯性力所做的功有关，即

R、H和W：分别为参考状态的半径、材料厚度和自由能；

Q：所施加的电荷；

r和p：变形后的半径和压力；

ρ:材料密度；

步骤4：根据热力学方程，密闭空间里存在

P₁V₁＝P₂V₂＝P₃V₃＝nRT

即：

因为存在r₃＝λ₂λ₁R；所以可得

2.根据权利要求1所述的一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，其特征在于：本方法是使介电高弹性球体能够进行低空摄影和观察灾害、天气的方法。

3.根据权利要求1或2所述的一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，其特征在于：所述的步骤4中计算测试方法如下：

步骤4.1：Maxwell应力为：ε₀为真空介电常数，E是电场强度；

电压值；

步骤4.2：由于电场

所以，结合Maxwell应力可得：

步骤4.3：在电场力作用下，软驱动飞行器存在机电不稳定性和电击穿，其中电击穿场强公式为：当材料的拉伸值为λ<5.7，电击穿强度为E_EB＝30.6×λ^1.13MV/m，当λ≥5.7，E_EB＝216MV/m。

4.根据权利要求3所述的一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，其特征在于：所述的步骤4中测试方法如下：

步骤4.4：在系统飞行平衡状态下：

(m_系统+m_载荷)g＝(ρ_空气-ρ_氦气)gv₃

由于V₃＝4/3×π(λ₁λ₂R)³：

Δρ＝ρ空气-ρ氦气。

5.根据权利要求3所述的一种使介电高弹性球体产生可控浮力的方法，其特征在于：所述的步骤4中实现可控浮力的方法如下：

步骤4.5：系统浮力可以通过下式计算

F_Buoyancy＝∮σdA＝-∫f_gasdV＝-ρ_gas×g∫dV＝-ρ_gas×gV

该浮力与重力方向相反，所以：

F_Buoyancy＝ΔρgV

步骤4.6：当DE球飞行时，存在：

F_Buoyancy≥mg

Δρ＝ρ_air-ρ_helium

ΔρΔv＝m_load。