CN112664675A - 一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀。阀体的两个流体出口分别经上下流道连通到流体入口，在上下流道间设有电共轭液腔，电共轭液腔储有电共轭液，电共轭液腔内设有柔性阴极、上下柔性阳极，电共轭液腔和上下流道衔接；在电共轭液腔和上流道衔接处，电共轭液腔端口密封装有上柔性瓣膜，正上流道侧壁开设上凹槽；在电共轭液腔和下流道衔接处，电共轭液腔端口密封装有下柔性瓣膜，下流道侧壁开设下凹槽。本发明的流控软体阀，利用电压主动控制电共轭液静压以控制回路节流和通断，响应速度快，适用于软体机器人中驱动流体回路的控制。

Description

一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀

技术领域

本发明涉及软体机器人领域的一种流体阀结构，具体涉及一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀。

背景技术

软体机器人具有适应性强、本质安全等优点，在非结构化环境作业、复杂易碎物体抓持、人机交互等方面具有极大的应用前景。其中，流体驱动软体机器人因其驱动力强、可控性好、易于集成等优势，成为该领域最为活跃和最具应用前景的研究方向。流体驱动与控制方式的发展经历了三个阶段：第一个阶段通过大量管线外接气源、泵和电磁阀等刚性元件实现驱动与控制。第二个阶段通过内置刚性驱动与控制元件摆脱外接管线，但重量和体积大幅增加，且影响被动变形能力。在第三个阶段中，软体机器人的前沿研究聚焦于实现“全软体”。2016年，美国哈佛大学成功研制了首款“全软体”、全自主运动的“章鱼”机器人，其通过双氧水燃料解决了“全软体”的能源供给问题，成为软体机器人领域一个重要的里程碑。但由于缺少适配的软体控制阀，该“章鱼”机器人只能实现固定的顺序动作而无法进行主动控制。为此，迫切需要发展出采用柔性材料、具有较强控制性能和适用性的软体阀，为高适应性、高度可控的软体机器人提供基础控制元件。

现有的软体阀根据阀口启闭原理可分为三类：其一是流控软体阀，即通过控制流道压力迫使驱动回路变形，实现流道节流或换向，但其控制流道压力仍需由外部电磁阀控制，实质上并未实现“全软体”。其二是通过驱动回路引出控制回路流体，模仿“自激振荡电路”设计流体回路，实现阀口自发的顺序动作，但丧失“主动控制”能力。其三是利用功能材料实现阀口启闭，如电流变液和磁流变液等，但液态功能材料适用范围有限，要求流体系统需要以电/磁流变液为驱动介质。

发明内容

为了解决现有软体阀的缺点和不足，本发明提供了一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀。该阀由软体材料制成，通过电共轭流体驱动柔性瓣膜进行流道节流或封闭，可通过调节驱动电压定量控制节流流量大小，并且控制回路可与驱动回路分离，对驱动回路流体介质无限制，具有结构简单、可靠性高、适用范围广等优点。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

本发明包括阀体、柔性阴极、上柔性阳极、上柔性瓣膜、下柔性阳极和下柔性瓣膜；阀体的一端开设有流体入口，另一端开有两个流体出口，两个流体出口分别经阀体内部设置的上流道和下流道连通到流体入口，在上流道和下流道之间设有一个电共轭液腔，电共轭液腔储有电共轭液，电共轭液腔的中部设有柔性阴极，柔性阴极将电共轭液腔分为分别靠近流体出口的两个子腔，两个子腔内分别设有上柔性阳极和下柔性阳极，电共轭液腔的两端分别和上流道和下流道衔接。

在电共轭液腔和上流道衔接处，电共轭液腔端口密封装有上柔性瓣膜，正对电共轭液腔端口的上流道侧壁开设上凹槽，通过上柔性瓣膜压紧到上凹槽槽表面使得电共轭液腔和上流道不连通；在电共轭液腔和下流道衔接处，电共轭液腔端口密封装有下柔性瓣膜，正对电共轭液腔端口的下流道侧壁开设下凹槽，通过下柔性瓣膜压紧到下凹槽槽表面使得电共轭液腔和下流道不连通。

所述的上柔性阳极、下柔性阳极和柔性阴极均经导线连接到外部的电压源。

所述的上流道和下流道平行布置开设。

所述的上柔性瓣膜和下柔性瓣膜均具有弹性，能在外力作用下产生弹性变形。

所述的上凹槽和下凹槽均为圆弧形凹槽。

所述的阀体的两个流体出口连通到仿生软体手的两个压力控制口。

所述的阀体采用硅胶浇筑固化成型或软材料阀体采用硅胶浇注固化成型或软材料3D打印成型。

所述的上柔性阳极、下柔性阳极、柔性阴极的材料为导电橡胶。

所述上柔性瓣膜和下柔性瓣膜为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种。

所述电共轭流体为癸二酸二丁酯。

本发明的低噪声是指以下两个方面：1、利用柔性结构替代传统阀体的刚性结构，避免了阀中的部件机械振动或撞击产生的机械噪声；2、由于柔性流道对流场变化具有一定的缓冲效果，减少了空化效应，从而减少了流体动力噪声。

本发明提供的电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，相比现有技术，具有以下有益效果：

本发明的电共轭液驱动的流控软体阀，通过电共轭流体驱动柔性瓣膜进行流道节流或封闭，可通过调节驱动电压定量控制节流流量大小，并且控制回路可与驱动回路分离，对驱动回路流体介质无限制，具有结构简单、可靠性高、适用范围广等优点。

本发明的流控软体阀利用电压主动控制电共轭液静压以控制回路节流和通断，响应速度快，适用于软体机器人中驱动流体回路的控制。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明软体阀的剖面结构示意图；

图2是本发明软体阀控制仿生软体手的剖面结构示意图。

图中：阀体1、柔性阴极2、电共轭液腔3、上柔性阳极4、上柔性瓣膜5、上流道6、导线7、下流道8、下柔性阳极9、下柔性瓣膜10、下凹槽11、流体入口12、上凹槽13、仿生软体手14。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述。

如图1所示，包括形成于内部的阀体1、柔性阴极2、上柔性阳极4、上柔性瓣膜5、下柔性阳极9和下柔性瓣膜10；阀体1的一端开设有流体入口12，另一端开有两个流体出口，两个流体出口分别经阀体1内部设置的上流道6和下流道8连通到流体入口12，上流道6和下流道8平行布置开设。在上流道6和下流道8之间设有一个电共轭液腔3，电共轭液腔3储有电共轭液，电共轭液在电压作用下产生流体静压，电共轭液腔3的中部设有柔性阴极2，柔性阴极2将电共轭液腔3分为分别靠近流体出口的两个子腔，两个子腔内分别设有上柔性阳极4和下柔性阳极9，电共轭液腔3的两端分别和上流道6和下流道8衔接；

在电共轭液腔3和上流道6衔接处，电共轭液腔3端口密封装有上柔性瓣膜5，正对电共轭液腔3端口的上流道6侧壁开设上凹槽13，通过上柔性瓣膜5压紧到上凹槽13槽表面使得电共轭液腔3和上流道6不连通；在电共轭液腔3和下流道8衔接处，电共轭液腔3端口密封装有下柔性瓣膜10，正对电共轭液腔3端口的下流道8侧壁开设下凹槽11，通过下柔性瓣膜10压紧到下凹槽11槽表面使得电共轭液腔3和下流道8不连通。上凹槽13和下凹槽11均为圆弧形凹槽，上柔性瓣膜5和下柔性瓣膜10均具有弹性，能在外力作用下产生弹性变形。

如图1，上流道6通过上柔性瓣膜5与电共轭液腔3分隔，上流道6对应上柔性瓣膜6处有凹槽13。下流道8通过柔性瓣膜11与电共轭液腔3分隔，下流道8对应柔性瓣膜10处有凹槽11。这样，电共轭液腔通过上柔性瓣膜6与上流道6分隔，通过下柔性瓣膜10与下流道8分隔。

上柔性阳极4、下柔性阳极9和柔性阴极2均经导线7连接到外部的电压源；上柔性阳极4、下柔性阳极9连接正极，柔性阴极2连接负极。通过施加在柔性阳极和柔性阴极上的电压使电共轭液产生流体静压力，驱动柔性瓣膜发生形变，进而实现软体阀节流或启闭状态的切换。

如图2所示，阀体1的两个流体出口连通到仿生软体手14的两个压力控制口，进而通过本发明的流控软体阀控制仿生软体手14变形运动。

阀体1采用硅胶浇筑固化成型或软材料阀体采用硅胶浇注固化成型或软材料3D打印成型。

具体实施中，上柔性阳极4、下柔性阳极9、柔性阴极2的材料为导电橡胶。上柔性瓣膜5和下柔性瓣膜10为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种。电共轭流体为癸二酸二丁酯。

具体实施中，上柔性阳极、下柔性阳极、柔性阴极通过粘接剂与阀体固定位置安装，粘接剂为Smooth-on公司的Sil-Poxy硅胶粘接剂。

流体从流体入口12流入硅胶阀体，通过电共轭液腔3控制上流道6与下流道8的通断或开启大小，控制流体从上流道6还是从下流道8流出以及流量，控制流体流向的分布。

对下柔性阳极9和柔性阴极2两端施加电压时，驱动电共轭液向上流动使上柔性瓣膜13上凸，使上流道6产生节流或封闭，同时下流道8常通；对上柔性阳极4和柔性阴极2两端施加电压时，驱动电共轭液向下流动使下柔性瓣膜10下凸，使下流道8产生节流或封闭，同时上流道常通。

本发明的具体工作过程如下：

上柔性阳极4与柔性阴极2两端施加电压时，驱动电共轭液向下流动，产生向下静压使下柔性瓣膜10向下凸起变形，下柔性瓣膜10向下凸起的程度与上柔性阳极4和柔性阴极2两端的电压成对应关系。下柔性瓣膜10向下凸起变形后，使下流道8对应处流道截面减小，下流道8产生节流或封闭，同时上流道6开启。

下柔性阳极9与柔性阴极2两端施加电压时，驱动电共轭液向上流动，产生向上静压使上柔性瓣膜5向上凸起变形，柔性瓣膜5向上凸起的程度与下柔性阳极9和柔性阴极2两端的电压成对应关系。

上柔性瓣膜5向上凸起变形后，使上流道6对应处流道截面减小，流道6产生节流或封闭，同时下流道8开启。

参阅图2，使用流控软体阀控制对仿生软体手14进行控制。当上流道6封闭，下流道8开启时，向流体入口12充入气压，仿生软体手14向上弯曲。当下流道8节流或封闭，上流道6开启时，向流体入口12充入气压，仿生软体手14向下弯曲。

由此实施可见，本发明的流控软体阀，利用电压主动控制电共轭液静压以控制回路节流和通断，响应速度快，适用于软体机器人中驱动流体回路的控制，在软体机器人领域具有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：包括阀体(1)、柔性阴极(2)、上柔性阳极(4)、上柔性瓣膜(5)、下柔性阳极(9)和下柔性瓣膜(10)；阀体(1)的一端开设有流体入口(12)，另一端开有两个流体出口，两个流体出口分别经阀体(1)内部设置的上流道(6)和下流道(8)连通到流体入口(12)，在上流道(6)和下流道(8)之间设有一个电共轭液腔(3)，电共轭液腔(3)储有电共轭液，电共轭液腔(3)的中部设有柔性阴极(2)，柔性阴极(2)将电共轭液腔(3)分为分别靠近流体出口的两个子腔，两个子腔内分别设有上柔性阳极(4)和下柔性阳极(9)，电共轭液腔(3)的两端分别和上流道(6)和下流道(8)衔接；在电共轭液腔(3)和上流道(6)衔接处，电共轭液腔(3)端口密封装有上柔性瓣膜(5)，正对电共轭液腔(3)端口的上流道(6)侧壁开设上凹槽(13)，通过上柔性瓣膜(5)压紧到上凹槽(13)槽表面使得电共轭液腔(3)和上流道(6)不连通；在电共轭液腔(3)和下流道(8)衔接处，电共轭液腔(3)端口密封装有下柔性瓣膜(10)，正对电共轭液腔(3)端口的下流道(8)侧壁开设下凹槽(11)，通过下柔性瓣膜(10)压紧到下凹槽(11)槽表面使得电共轭液腔(3)和下流道(8)不连通。

2.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的上柔性阳极(4)、下柔性阳极(9)和柔性阴极(2)均经导线(7)连接到外部的电压源。

3.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的上流道(6)和下流道(8)平行布置开设。

4.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的上柔性瓣膜(5)和下柔性瓣膜(10)均具有弹性，能在外力作用下产生弹性变形。

5.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的上凹槽(13)和下凹槽(11)均为圆弧形凹槽。

6.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的阀体(1)的两个流体出口连通到仿生软体手(14)的两个压力控制口。

7.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的阀体(1)采用硅胶浇筑固化成型或软材料阀体采用硅胶浇注固化成型或软材料3D打印成型。

8.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述的上柔性阳极(4)、下柔性阳极(9)、柔性阴极(2)的材料为导电橡胶。

9.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述上柔性瓣膜(5)和下柔性瓣膜(10)为硅胶、橡胶、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯的一种。

10.根据权利要求1所述的一种电共轭液驱动的流控低噪声软体阀，其特征在于：所述电共轭流体为癸二酸二丁酯。

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