CN113972852A - 一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，包括高能量密度低压电池，高能量密度低压电池依次经控制模块、开关电路和电活性聚合物执行器后与反馈感知单元连接，反馈感知单元用于检测执行器的运行状态，反馈控制驱动电路的通断；利用开关信号控制电压在电活性聚合物执行器上的加载时间，通过反馈感知单元测量执行器的最大充电电量、执行器的变形大小或者驱动力进行反馈控制脉宽。本发明体积小巧、使用方便，满足随身携带、随地测试的需求。

Description

一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路

技术领域

本发明属于智能材料驱动技术领域，具体涉及一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路。

背景技术

电活性聚合物材料(EAP)是一种新型智能材料，与传统电机和液压等驱动器相比，其具有质量轻、变形大、无噪音、响应速度快、能耗低且运动灵活等优点，因而受到越来越多学者的关注和研究。近二十年来，电活性聚合物材料是仿生材料领域的重要方向且发展十分迅速，有着广阔的发展前景，尤其是电子穿戴设备、软体机器人和电磁超表面等领域具有重要应用价值。在这些领域中，对电源的体积重量、响应速度和效率有很高要求。

传统的激励方式是由可调式直流稳压电源、信号发生器、低频功率放大模块构成，适用于介电凝胶型电活性材料的驱动电路还需要高压放大器。可调式直流稳压电源用于给信号发生器供电，调节信号发生器输出特定频率、幅值、波形的信号，经由低频功率放大模块或高压放大器升压至特定电压以供所需。这种激励方式优势在于调节信号方便，但由于其组成器件体积较为庞大且接线复杂，不易携带，通常使用在固定工位，且无法输出任意波形，响应速度慢，不适用于电子穿戴设备、软体机器人和电磁超表面等领域。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于针对上述现有技术中的不足，提供一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，能够准确输出一定幅值范围和一定频率范围的任意波形，且响应速度大大提高，满足低压型电活性聚合物执行器和介电凝胶型电活性聚合物执行器的工作需求。

本发明采用以下技术方案：

一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，包括高能量密度低压电池，高能量密度低压电池依次经控制模块、开关电路和电活性聚合物执行器后与反馈感知单元连接，反馈感知单元用于检测执行器的运行状态，反馈控制驱动电路的通断；利用开关信号控制电压在电活性聚合物执行器上的加载时间，通过反馈感知单元测量执行器的最大充电电量、执行器的变形大小或者驱动力进行反馈控制脉宽。

具体的，电活性聚合物执行器包括低压型电活性聚合物执行器，开关电路采用单个MOS管的开关实现对低压型电活性聚合物执行器的单方向变形驱动，或采用四个MOS管开关配合驱动或者H电桥芯片实现对低压型电活性聚合物执行器的双向驱动。

具体的，电活性聚合物执行器包括介电凝胶型电活性聚合物执行器，高压模块经由开关电路与介电凝胶型电活性聚合物执行器连接，高压模块用于放大控制模块提供的输入信号，高压模块与高能量密度低压电池连接。

进一步的，开关电路采用单个MOS管的开关实现对介电凝胶电活性聚合物执行器的驱动。

进一步的，高压模块采用基于倍压原理或特斯拉线圈升压原理驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器，将低压直流电源升压至恒定高电压100～1000V。

具体的，反馈感知单元为电荷放大器电路，测量感知驱动过程中充放电电荷，通过对电活性聚合物执行器的位移与充电电荷关系标定，以充电电量控制驱动，同时设定充电电量阈值，驱动过程中不超过设定充电电量阈值。

具体的，反馈感知单元为接触压力传感器，设定电活性聚合物驱动器的最大驱动压力为阈值，以压力传感器的实际测量值反馈控制施加驱动电压的时间。

具体的，反馈感知单元为电容式位移传感器，以电活性聚合物执行器的一个电极为动电极，与动电极间隔设置固定电极，通过测量动电极和固定电极之间的电容变化量确定变形大小，对电活性聚合物执行器的变形大小进行反馈控制。

具体的，在电活性聚合物执行器的一个连续变形期间，施加恒定的电压产生快速阶跃形式的变形驱动，或采用PWM控制方法，使用变脉宽的脉冲电压或脉冲电流实现任意波形的变形驱动。

具体的，施加在电活性聚合物执行器上的电压幅值高于电活性聚合物执行器的安全电压，驱动响应速度高于恒值直流或者恒定幅度交流电压驱动下的响应速度1～2个数量级。

与现有技术相比，本发明至少具有以下有益效果：

一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，集成化设计电活性聚合物执行器驱动平台，克服传统测试平台连线复杂、携带不便的缺陷；采用高水平脉冲刺激高效驱动执行器运动，大大减少执行器响应时间；实时监测执行器响应状态，反馈控制驱动信息，安全准确的驱动执行器

进一步的，低压型电活性聚合物执行器的工作形式有单向变形和双向变形，利用MOS管条件性导通的特点，单个或多组MOS管配合设计满足低压型电活性聚合物执行器的单向和双向变形需求。

进一步的，高压模块由高能量密度低压电池供电，放大控制模块提供的输入信号，经由开关电路与介电凝胶型电活性聚合物执行器连接，满足介电凝胶型电活性聚合物执行器的驱动需求。

进一步的，介电凝胶电活性聚合物执行器只有导通和断电两种工作状态，利用单个MOS管即可便捷有效的控制介电凝胶电活性聚合物执行器的运动状态。

进一步的，介电凝胶电活性聚合物执行器的工作电压通常为300～1000V，采用基于倍压原理或特斯拉线圈升压原理等的高压模块，可将控制模块的低压信号升至恒定高电压，满足介电凝胶电活性聚合物执行器的驱动电压需求。

进一步的，反馈感知单元可以为电荷放大器电路，测量感知驱动过程中充放电电荷，通过对电活性聚合物执行器的位移与充电电荷关系标定，以充电电量控制驱动，同时设定充电电量阈值，驱动过程中不超过设定充电电量阈值，以此安全且精确的控制执行器的驱动位移。

进一步的，反馈感知单元可以为接触压力传感器，通过对电活性聚合物执行器的位移与驱动力关系标定，实时感知执行器末端的输出力，以此监测执行器的驱动位移。

进一步的，反馈感知单元可以为电容式位移传感器，以执行器的一个电极为动电极，与该电极间隔一定距离设置以固定电极，执行器弯曲变形改变两电极间距，导致电容变化，通过测量两电极之间的电容变化量来确定变形大小，进一步对执行器的变形大小进行反馈控制。

进一步的，在电活性聚合物执行器的一个连续变形期间，可以施加恒定电压，通过MOS管的通断产生阶跃信号；也可以采用PWM控制方法，用一系列快速变脉宽的脉冲电压或脉冲电流实现正弦、三角等任意波形信号，以此实现执行器各种形式的变形响应。

进一步的，通过在电活性聚合物执行器施加电压幅值超出其安全范围的脉冲信号，快速驱动执行器内部粒子迁移，控制脉宽以在粒子电荷积累到阈值前断开，使执行器驱动响应速度高于恒值直流或恒定幅值交流电压驱动下的响应速度1～2个数量级。

综上所述，本发明体积小巧、使用方便，满足随身携带、随地测试的需求。

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

附图说明

图1为本发明驱动流程图；

图2为电活性材料在恒定电压或电流下的变形位移、最大充电电量和驱动力响应特性图；

图3为IPMC在1.5V安全电压下的变形响应曲线图；

图4为施加在IPMC上的超出其安全范围的脉冲信号图；

图5为IPMC在5V单脉冲电压下的变形响应曲线图；

图6为开关电路采用多个MOS管实现的一种方式图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要理解的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

还应当理解，在本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

在附图中示出了根据本发明公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。

本发明提供了一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，能够输出一定幅值范围和一定频率范围的任意波形的信号，准确控制电活性聚合物执行器的变形位移，具有便捷、高效、安全、准确的特点，为离子型电活性聚合物和介电凝胶型电活性聚合物提供一个高效小型的驱动方式。与传统的驱动方式相比，其适用于电子穿戴设备、软体机器人和电磁超表面等领域，有广阔的应用前景。

请参阅图1，本发明一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，包括高能量密度低压电池、控制模块、开关电路、高压模块和反馈感知单元，高能量密度低压电池分别与控制模块和高压模块连接，用于为控制模块和高压模块提供稳定直流低压；控制模块经开关电路分两路，一路经高压模块和介电凝胶型电活性聚合物执行器与反馈感知单元连接，另一路经低压型电活性聚合物执行器与反馈感知单元连接，开关电路用于为高压模块提供开关信号；高压模块用于放大控制模块提供的输入信号，高压模块仅在驱动部分介电凝胶型电活性聚合物执行器时需要；反馈感知单元用于检测执行器的运行状态，反馈控制驱动电路的通断；利用开关信号控制电压在电活性聚合物执行器上的加载时间，通过反馈感知单元测量执行器的最大充电电量、执行器的变形大小或者驱动力进行反馈控制脉宽。

施加在电活性聚合物执行器上的电压幅值高于其安全电压，驱动响应速度高于恒值直流或者恒定幅度交流电压驱动下的响应速度1～2个数量级。

在电活性聚合物执行器的一个连续变形期间，可以施加恒定的电压产生快速阶跃形式的变形驱动，也可以采用PWM控制方法，用一系列快速变脉宽的脉冲电压或脉冲电流实现正弦、三角等任意波形的变形驱动效果。

其中，高能量密度低压电池采用充电电池、超级电容器、USB供电口或者小型直流适配器等实现。

控制模块包括但不限于微型控制芯片和波形发生电路，微型控制芯片例如STM32、Arduino、Seeeduino、Attiny等，波形发生电路包括NE555方波发生器，RC振荡电路，MAX038电路等，产生脉宽和频率可调的开关信号高低电平，用于离子型电活性材料的最大频率范围为DC-10KHz，用于介电凝胶型电活性材料的最大频率范围DC-1MHz。

开关电路包括一个或多个MOS管，对于低压型电活性聚合物执行器的单方向变形驱动和介电凝胶电活性聚合物执行器的驱动，采用单个MOS管的开关实现；对于低压型电活性聚合物执行器的双向驱动，采用四个MOS管开关配合驱动或者H电桥芯片实现。

高压模块用于驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器，采用基于倍压原理或特斯拉线圈升压原理等制造的小型轻便、安全可靠的升压模块，将低压直流电源升压至恒定高电压100～1000V。

反馈感知单元可以是电荷放大器电路，测量感知驱动过程中充放电电荷。通过对执行器的位移或驱动器与充电电荷关系标定，以充电电量多少来控制驱动效果，同时设定充电电量阈值，驱动过程中不超过改阈值可保证安全驱动。

反馈感知单元可以是接触压力传感器，设定驱动器的最大驱动压力为阈值，以压力传感器的实际测量值反馈控制施加驱动电压的时间。

反馈感知单元可以是电容式位移传感器，以执行器的一个电极为动电极，与该电极间隔一定距离设置以固定电极，通过测量两电极之间的电容变化量来确定变形大小，进一步对执行器的变形大小进行反馈控制。

本发明一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路的工作原理如下：

驱动电路通过高能量密度低压电池供电，控制模块提供各种波形信号，经由开关电路实现通断和反向，驱动电活性聚合物执行器运动，同时反馈感知单元感知执行器的运动状态，反馈调整驱动信号，获得准确的位移响应；另外，用于驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器的驱动电路中还包括高压模块，用于放大驱动信号，提供执行器所需高压。

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中的描述和所示的本发明实施例的组件可以通过各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例1

本实施例描述了一个输出正弦波信号驱动离子型电活性聚合物执行器的高效小型驱动电路。

请参阅图1，高效小型驱动电路包括高能量密度低压电池、控制模块、开关电路和反馈感知单元。

其中，高能量密度低压电池选用USB供电口，小型便捷；控制模块选用微型控制芯片Attiny13a；开关电路选用多个MOS管配合实现，请参阅图6；反馈感知单元选用电容式位移传感器。

驱动离子型电活性聚合物执行器时，需将USB供电口插入USB电源接口，或是配合USB电源插头为微型控制芯片Attiny13a和电容式位移传感器提供5V恒压；微型控制芯片输出周期为T的变脉宽即变占空比的单向脉冲信号；4个MOS管采用如图6所示的连接方式，并交替开关，控制电路中的电流方向，MOS管1、3保持持续时间为T的高电平，然后转为持续时间为T的低电平，MOS管2、4反之。经由所述开关电路，Attiny13a芯片输出的一系列脉冲信号可以等效为周期为2T的正弦波信号；正弦波信号使离子型电活性聚合物执行器周期摆动，在其表面间隔一段距离设置电容式位移传感器电极，通过电极间距离的变化改变其电容，从而感知执行器的动作情况，并将补偿信息输入到微型控制芯片中进行一步的优化和调整。

实施例2

本实施例描述了一个输出恒压阶跃信号驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器的高效小型驱动电路。

请参阅图1，高效小型驱动电路包括高能量密度低压电池、控制模块、开关电路、高压模块和反馈感知单元。

其中，高能量密度低压电池选用12V可充电锂电池；控制模块选用微型控制芯片Arduino；开关电路选用单个MOS管控制通断；高压模块选用NCH6300HV小型升压模块；反馈感知单元选用电荷放大器电路。

驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器时，需按下12V可充电锂电池的开关，为微型控制芯片Arduino、NCH6300HV小型升压模块和电荷放大器电路提供12V恒压；微型控制芯片输出周期的脉宽恒定的脉冲信号；通过MOS管的高低电平控制电路的通断。经由所述开关电路，Arduino芯片输出的一系列脉冲信号可以等效为一定幅值的阶跃信号；在电路中增添一个电荷放大器电路，测量感知驱动过程中充放电电荷，标定充电电荷与执行器的位移关系，以充电量来控制驱动效果，从而使执行器的运动状况达到最好的状态。

请参阅图2，电活性材料在恒定电压或电流作用下，其变形位移、最大充电电量和驱动力呈现平稳增加趋于饱和的响应特性。根据上述特性，所述反馈感知单元实时监测电活性执行器的动态响应参数，在指定参数达到预定值时，反馈信息到控制模块，减小其输出信号脉宽或停止信号输出。

利用变形位移、最大充电电量和驱动力与电压电流的正相关关系标定所需电压电流值，实时感知电活性执行器的动态参数来反馈控制电压和电流。

请参阅图3和图5，驱动电路为电活性聚合物执行器提供一个高于其安全电压的脉冲信号，使其变形响应速度得到巨大提升。

请参阅图4，施加在执行器上的脉冲信号电压幅值高于其安全电压，使执行器响应速度大大提高，控制脉宽ts使其不会破坏执行器内部结构，改变周期T控制执行器响应频率。

请参阅图6示出了开关电路的一种形式，通过控制不同MOS管的通断实现电流的流向。

综上所述，本发明一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，具有以下特点：

(1)将控制模块、功放模块和控制电路一体化设计，大大减小了测试电活性聚合物设备的体积，结构轻便，便于携带，为电活性聚合物执行器的宣传展示和实际应用提供了设备基础。

(2)根据高压脉冲驱动原理，通过在低压型电活性聚合物上短暂的施加高于其安全阈值的电压，使其驱动响应速度高于恒值直流或者恒定幅度交流电压驱动下的响应速度1～2个量级。

(3)通过反馈感知单元，根据电活性聚合物执行器的充放电电荷、驱动压力或者变形量对输入信号进行优化调整，保证电活性聚合物执行器动作的准确性。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，包括高能量密度低压电池，高能量密度低压电池依次经控制模块、开关电路和电活性聚合物执行器后与反馈感知单元连接，反馈感知单元用于检测执行器的运行状态，反馈控制驱动电路的通断；利用开关信号控制电压在电活性聚合物执行器上的加载时间，通过反馈感知单元测量执行器的最大充电电量、执行器的变形大小或者驱动力进行反馈控制脉宽。

2.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，电活性聚合物执行器包括低压型电活性聚合物执行器，开关电路采用单个MOS管的开关实现对低压型电活性聚合物执行器的单方向变形驱动，或采用四个MOS管开关配合驱动或者H电桥芯片实现对低压型电活性聚合物执行器的双向驱动。

3.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，电活性聚合物执行器包括介电凝胶型电活性聚合物执行器，高压模块经由开关电路与介电凝胶型电活性聚合物执行器连接，高压模块用于放大控制模块提供的输入信号，高压模块与高能量密度低压电池连接。

4.根据权利要求3所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，开关电路采用单个MOS管的开关实现对介电凝胶电活性聚合物执行器的驱动。

5.根据权利要求3所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，高压模块采用基于倍压原理或特斯拉线圈升压原理驱动介电凝胶型电活性聚合物执行器，将低压直流电源升压至恒定高电压100～1000V。

6.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，反馈感知单元为电荷放大器电路，测量感知驱动过程中充放电电荷，通过对电活性聚合物执行器的位移与充电电荷关系标定，以充电电量控制驱动，同时设定充电电量阈值，驱动过程中不超过设定充电电量阈值。

7.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，反馈感知单元为接触压力传感器，设定电活性聚合物驱动器的最大驱动压力为阈值，以压力传感器的实际测量值反馈控制施加驱动电压的时间。

8.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，反馈感知单元为电容式位移传感器，以电活性聚合物执行器的一个电极为动电极，与动电极间隔设置固定电极，通过测量动电极和固定电极之间的电容变化量确定变形大小，对电活性聚合物执行器的变形大小进行反馈控制。

9.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，在电活性聚合物执行器的一个连续变形期间，施加恒定的电压产生快速阶跃形式的变形驱动，或采用PWM控制方法，使用变脉宽的脉冲电压或脉冲电流实现任意波形的变形驱动。

10.根据权利要求1所述的电活性聚合物执行器用小型驱动电路，其特征在于，施加在电活性聚合物执行器上的电压幅值高于电活性聚合物执行器的安全电压，驱动响应速度高于恒值直流或者恒定幅度交流电压驱动下的响应速度1～2个数量级。

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