RU175482U1

RU175482U1 - EXECUTIVE DEVICE

Info

Publication number: RU175482U1
Application number: RU2016131930U
Authority: RU
Inventors: Владимир Петрович Иванов; Иван Юрьевич Дмитриев; Максим Михайлович Бизин; Владимир Павлович Дашевский; Галина Казимировна Ельяшевич
Priority date: 2016-08-04
Filing date: 2016-08-04
Publication date: 2017-12-06

Abstract

Использование: для создания исполнительного устройства. Сущность полезной модели заключается в том, что исполнительное устройство выполнено в виде параллельно-последовательной структуры из электроактивных гидрогелевых элементов, размеры которых управляются внешним электрическим полем, причем для создания необходимого уровня усилий эти элементы соединены в параллельные пакеты, а для реализации заданного уровня перемещений пакеты соединены последовательно. Технический результат: обеспечение возможности избежать тепловых процессов, снижения величины управляющего электрического потенциала. 1 з.п. ф-лы, 3 ил.Use: to create an actuator. The essence of the utility model lies in the fact that the actuator is made in the form of a parallel-serial structure of electroactive hydrogel elements, the dimensions of which are controlled by an external electric field, and to create the required level of effort, these elements are connected in parallel packets, and to implement a given level of movement, the packets are connected sequentially. Effect: providing the ability to avoid thermal processes, reducing the magnitude of the control electric potential. 1 s.p. f-ly, 3 ill.

Description

Предложение относится к области изделий автоматики и робототехники, преобразующих электрическую энергию в механическую.The proposal relates to the field of automation and robotics products that convert electrical energy into mechanical energy.

К настоящему времени отработаны и внедрены в производство электромеханические исполнительные устройства, осуществляющие как вращательное, так и поступательное движение. Как правило, они состоят из электродвигателя (асинхронного, переменного и постоянного токов), статор которого расположен по окружности или развернут в линию. Соответственно, якорь в первом случае осуществляет вращательное движение (электродвигатели вращения), во втором - линейное перемещение относительно статора (линейные электродвигатели). Достаточно часто применяются пневматические и гидравлические исполнительные устройства поршневого типа для линейного движения, аксиально-поршневые или радиально-поршневые машины, турбины различных типов для вращательного движения, работающие от аккумулятора давления или (через ресивер) от компрессорных агрегатов, приводимых в движение поршневыми, турбинными или электрическими машинами различных типов. Все указанные выше устройства реализуют тяговые усилия (при поступательном движении) в достаточно широком диапазоне от 10 до 10⁶ H. Одним из перспективных и приоритетных направлений развития современной робототехники является создание роботов мини-, микро- и наноуровня геометрических размеров. Разработка и производство таких роботов сопряжены с рядом трудностей. К их числу относится ограниченный сортимент выпускаемых исполнительных устройств в указанном диапазоне геометрических размеров и технических характеристик. Помимо организационных и производственных аспектов эта проблема имеет определенные физические и химические ограничения. С уменьшением геометрических размеров энергетическая эффективность исполнительных устройств в традиционном исполнении неизбежно падает. Это связано с тем, что при снижении размеров все большее значение приобретают силы молекулярного сцепления, и с некоторого уровня они превышают силы трения и силы молекулярного сцепления начинают разрушать материал (металл). Отметим также, что при малых геометрических размерах исполнительных устройств ряд физических ограничений преодолеть невозможно. Например, для получения необходимой электродвижущей силы обмотки электродвигателей, реле и др. приходится выполнять все более и более тонким проводом. Однако при этом резко возрастает его омическое сопротивление, рост которого приводит к плавлению провода. К тому же для изготовления механических деталей в микро- и наноуровнях практически отсутствует потребный станочный парк. Поэтому при создании исполнительных устройств в микро- и наноисполнении приходится прибегать к нетрадиционным методам их синтеза за счет отказа от традиционного построения исполнительных устройств и переходе к исполнительным устройствам на иных принципах, в том числе за счет использования биметаллов, полимерных материалов, способных изменять свою форму, геометрические размеры, физико-механические характеристики под внешним воздействием («искусственные мышцы»).To date, electromechanical actuators that carry out both rotational and translational motion have been developed and introduced into production. As a rule, they consist of an electric motor (asynchronous, alternating and constant currents), the stator of which is located around a circle or deployed in a line. Accordingly, in the first case, the anchor carries out rotational motion (rotation electric motors), in the second - linear movement relative to the stator (linear electric motors). Piston-type pneumatic and hydraulic actuators are often used for linear motion, axial-piston or radial-piston machines, various types of turbines for rotary motion, operating from a pressure accumulator or (through a receiver) from compressor units driven by piston, turbine or electric machines of various types. All of the above devices realize traction forces (with translational motion) in a fairly wide range from 10 to 10 ⁶ H. One of the promising and priority areas for the development of modern robotics is the creation of mini, micro, and nanoscale robots of geometric dimensions. The development and production of such robots is fraught with a number of difficulties. These include a limited range of actuators in the specified range of geometric dimensions and technical characteristics. In addition to organizational and production aspects, this problem has certain physical and chemical limitations. With a decrease in geometric dimensions, the energy efficiency of actuators in a traditional design inevitably falls. This is due to the fact that with a decrease in size, molecular cohesion forces become increasingly important, and from a certain level they exceed the friction forces and the molecular cohesion forces begin to destroy the material (metal). We also note that for small geometric dimensions of actuators, a number of physical limitations cannot be overcome. For example, in order to obtain the necessary electromotive force, the windings of electric motors, relays, etc., have to be made with an increasingly thin wire. However, in this case, its ohmic resistance sharply increases, the growth of which leads to the melting of the wire. In addition, for the manufacture of mechanical parts at the micro and nanoscale, there is practically no required machine park. Therefore, when creating actuators in micro- and nano-execution, one has to resort to non-traditional methods for their synthesis due to the rejection of the traditional construction of actuators and the transition to actuators on other principles, including through the use of bimetals, polymeric materials that can change their shape, geometric dimensions, physical and mechanical characteristics under external influence (“artificial muscles”).

Известно исполнительное устройство, включающее тонкий стакан, изготовленный из диэлектрического эластомера, надетого на оправку и растянутого пружиной [US 6,545,384 B1 от 08.04.2003 г.]. Принцип работы основан на электромеханическом отклике, который способны развивать диэлектрические эластомеры на основе полиакрилатов, полисилоксанов или полиуретанов. Отбортовка стакана в указанном устройстве крепится к основанию металлическим кольцом. К кольцу и оправке подводится напряжение, под воздействием которого стакан «садится», уменьшая свою высоту и совершая работу. После снятия напряжения стакан возвращается к исходному состоянию. В указанном патенте также предложена конструкция в виде пластины из диэлектрического эластомера с укрепленными на ее поверхностях «плавающими» электродами. Пластина под воздействием электрического напряжения изменяет свою толщину и поперечные размеры. Такие пластины используются в различных исполнительных устройствах.Known actuator, including a thin glass made of a dielectric elastomer, worn on a mandrel and stretched by a spring [US 6,545,384 B1 from 04/08/2003]. The principle of operation is based on the electromechanical response that dielectric elastomers based on polyacrylates, polysiloxanes or polyurethanes are capable of developing. The flanging of the glass in the specified device is attached to the base with a metal ring. A voltage is applied to the ring and the mandrel, under the influence of which the glass "sits", reducing its height and performing work. After stress relief, the glass returns to its original state. This patent also proposes a design in the form of a plate of a dielectric elastomer with "floating" electrodes fixed on its surfaces. The plate under the influence of electric voltage changes its thickness and transverse dimensions. Such plates are used in various actuators.

К недостаткам предложенных конструкций исполнительных устройств относится высокое используемое электрическое напряжение, необходимое для активации диэлектрических эластомеров (киловольты). Другим недостатком является сложность формирования деформируемых электродных материалов на поверхности эластомерных электроуправляемых элементов.The disadvantages of the proposed designs of actuators include the high used voltage required to activate dielectric elastomers (kilovolts). Another disadvantage is the difficulty of forming deformable electrode materials on the surface of elastomeric electrically controlled elements.

Наиболее близким техническим решением к заявляемому является устройство, в котором в качестве электроактивного элемента используется тонкая упругая кремниевая пластина, на которую напылен слой сплава NiTi с термоупругим мартенситновым переходом, формирующим память формы [RU 2305874 от 20.11.2006 г.]. С разных сторон к слою сплава подается нагревающий его ток, что вызывает изгибную деформацию. Температура, вызывающая изгибную деформацию, не может быть высокой, так как при этом исчезает эффект упругости. От тонкой кремневой пластины с напыленным тонким слоем NiTi с термоупругим мартенситовым переходом нельзя получить достаточных усилий и перемещений. Поэтому в указанной заявке для достижения заданного уровня усилий кремневые пластины соединены параллельно, а для достижения заданного уровня перемещений - последовательно.The closest technical solution to the claimed one is a device in which a thin elastic silicon wafer is used as an electroactive element, on which a layer of NiTi alloy with a thermoelastic martensitic transition forming a shape memory is sprayed [RU 2305874 from 11.20.2006]. From different sides, an alloy heating current is supplied to the alloy layer, which causes bending deformation. The temperature causing bending deformation cannot be high, since the elasticity effect disappears. Sufficient forces and displacements cannot be obtained from a thin silicon wafer with a deposited thin layer of NiTi with a thermoelastic martensitic transition. Therefore, in this application, to achieve a given level of effort, the silicon wafers are connected in parallel, and to achieve a given level of displacement, in series.

Основным недостатком данного устройства является наличие большого количества избыточного тепла, выделяемого при его работе, что ограничивает его сферы применения в конкретных изделиях, требует дополнительных охлаждающих устройств и снижает эффективность каждого отдельного термоупругого элемента. Кроме того, недостатком является то, что устройство может приводиться в действие только электрическим током, что не всегда эффективно при его использовании в ряде конкретных устройств.The main disadvantage of this device is the presence of a large amount of excess heat generated during its operation, which limits its scope in specific products, requires additional cooling devices and reduces the efficiency of each individual thermoelastic element. In addition, the disadvantage is that the device can only be driven by electric current, which is not always effective when used in a number of specific devices.

Технической задачей заявляемого предложения является создание исполнительного устройства, позволяющего избежать тепловых процессов, необходимых для инициирования деформации элементов, снизить величину управляющего электрического потенциала до значения менее 200 В, а также использовать возможность совершения механической работы не только под действием электрического поля, но и при варьировании параметров внешней среды, таких как pH жидкости, в которую погружены управляемые элементы устройства.The technical task of the proposed proposal is to create an actuator that avoids the thermal processes necessary to initiate the deformation of the elements, reduce the value of the control electric potential to less than 200 V, and also use the possibility of performing mechanical work not only under the influence of an electric field, but also by varying the parameters external environment, such as the pH of the liquid into which the controlled elements of the device are immersed.

Указанная задача решается и технический результат достигается путем создания параллельно-последовательных структур из электроактивных гидрогелевых элементов, сжимающихся под действием электрического тока, причем для создания необходимых усилий элементы соединены параллельно в пакеты, а для реализации заданных перемещений пакеты имеют последовательное соединение. Эффект деформации полиэлектролитного гидрогеля в электрическом поле имеет электроосмотическую природу и происходит в результате смещения ионного равновесия в объеме гидрогеля, транспорта ионов через гидрогель, а также электрохимических реакций на электродах. Инициирующий деформацию гидрогеля потенциал находится в диапазоне 5-100 В и зависит от химической природы веществ, из которых изготовлены гидрогель и электродный материал. Степень набухания полиэлектролитных гидрогелей в большой степени зависит от значения pH жидкости, в которой они находятся. Благодаря этому эффекту можно добиться выраженного изменения размеров геля за счет изменения pH среды. Следовательно, для приведения исполнительного устройства в действие может использоваться не электрическое воздействие, а изменение pH жидкости, в которую устройство погружено. Кроме того, для приведения устройства в действие можно одновременно использовать электрический ток и изменение pH, в которую погружены параллельно-последовательные пакеты гидрогелевых элементов.This problem is solved and the technical result is achieved by creating parallel-sequential structures of electroactive hydrogel elements, compressed under the action of an electric current, and to create the necessary forces, the elements are connected in parallel in packages, and for the implementation of the given movements, the packages are connected in series. The effect of deformation of a polyelectrolyte hydrogel in an electric field has an electroosmotic nature and occurs as a result of a shift in the ionic equilibrium in the hydrogel volume, ion transport through the hydrogel, and electrochemical reactions on the electrodes. The potential initiating hydrogel deformation is in the range of 5-100 V and depends on the chemical nature of the substances from which the hydrogel and electrode material are made. The degree of swelling of the polyelectrolyte hydrogels largely depends on the pH of the liquid in which they are located. Due to this effect, a pronounced change in the size of the gel due to a change in the pH of the medium can be achieved. Therefore, to actuate the actuator, it is not electric action that can be used, but a change in the pH of the liquid in which the device is immersed. In addition, to drive the device, it is possible to simultaneously use an electric current and a change in pH, in which parallel-sequential packages of hydrogel elements are immersed.

Конструкция исполнительного устройства показана на чертежах, где:The design of the actuator is shown in the drawings, where:

на фиг. 1 - общий вид устройства,in FIG. 1 - General view of the device,

на фиг. 2 и 3 - изменение размеров устройства при подаче электрического напряжения, изменения pH внешней среды или взаимного действия этих управляющих параметров.in FIG. 2 and 3 - resizing the device when applying electrical voltage, changing the pH of the external environment or the mutual action of these control parameters.

Исполнительное устройство выполнено в виде электродных планок 1, к которым подсоединены провода 2. К электродным планкам 1 рядами крепятся гидрогелевые элементы 3. Один ряд гидрогелевых элементов 3, закрепленный между парой электродов 1, образует единичный рабочий узел исполнительного устройства. Высота гидрогелевого элемента зависит от параметров электромеханического отклика используемого гидрогеля. Электродные планки выполнены из химически инертного электропроводящего материала, такого как благородный металл или графит. Каждый рабочий узел может быть последовательно соединен с другими аналогичными узлами через перемычки 4. Число гидрогелевых элементов в одном ряду определяет необходимый уровень усилия, а число последовательно соединенных рабочих узлов - необходимый уровень перемещения исполнительного устройства.The actuator is made in the form of electrode strips 1 to which the wires are connected 2. Hydrogel elements 3 are attached to the electrode strips 1 in rows. One row of hydrogel elements 3, mounted between the pair of electrodes 1, forms a single working unit of the actuator. The height of the hydrogel element depends on the parameters of the electromechanical response of the hydrogel used. The electrode strips are made of a chemically inert conductive material such as a noble metal or graphite. Each working node can be connected in series with other similar nodes through jumpers 4. The number of hydrogel elements in one row determines the necessary level of effort, and the number of series-connected working nodes determines the necessary level of movement of the actuator.

Работа исполнительного устройства осуществляется следующим образом. На электродные планки 1, являющиеся одновременно устройствами для крепления электроактивных гидрогелевых элементов 3, через проводники 2 подается соответствующее электрическое напряжение. Под воздействием электрического тока гидрогелевые элементы пакета уменьшают свои геометрические размер на величину Δl, осуществляя перемещение электродов - устройств для крепления гидрогелевых элементов и совершая таким образом механическую работу. Заданный максимальный уровень перемещений реализуется за счет последовательного соединения пакетов.The operation of the actuator is as follows. On the electrode strips 1, which are simultaneously devices for attaching electroactive hydrogel elements 3, the corresponding electrical voltage is supplied through the conductors 2. Under the influence of electric current, the hydrogel elements of the package reduce their geometric size by Δl, moving the electrodes - devices for attaching hydrogel elements and thus doing mechanical work. The specified maximum level of movements is realized due to the serial connection of packets.

Так как изменение геометрических размеров гидрогелей может осуществляться также за счет изменения pH жидкой среды, в которую они погружены, то для приведения исполнительного устройства в действие в емкость, в котором оно находится, впрыскивается раствор с соответствующим значением pH. Для приведения устройства в действие и совершения механической работы можно одновременно подавать на электроды электрический ток и впрыскивать раствор соответствующего pH, в которую погружены параллельно-последовательные пакеты гидрогелевых элементов.Since the change in the geometric dimensions of hydrogels can also be carried out by changing the pH of the liquid medium in which they are immersed, a solution with an appropriate pH value is injected to actuate the actuator in the container in which it is located. To bring the device into action and perform mechanical work, it is possible to simultaneously apply electric current to the electrodes and inject a solution of the appropriate pH into which parallel-sequential packages of hydrogel elements are immersed.

Положительный эффект заявляемого устройства основан на том, что полиэлектролитный гидрогель в электрическом поле демонстрирует выраженное изменение степени набухания, что проявляется в изменение размеров и формы гидрогелевого элемента в виде его сжатия, растяжения или изгиба. Эффект деформации гидрогеля в электрическом поле имеет электроосмотическую природу и происходит в результате смещения ионного равновесия в объеме гидрогеля, транспорта ионов через гидрогель, а также электрохимических реакций на электродах. Эффекта выраженного изменения степени набухания полиэлектролитного гидрогеля можно также добиться за счет изменения pH жидкости, в которую он погружен.The positive effect of the inventive device is based on the fact that a polyelectrolyte hydrogel in an electric field shows a pronounced change in the degree of swelling, which manifests itself in a change in the size and shape of the hydrogel element in the form of compression, stretching or bending. The effect of hydrogel deformation in an electric field has an electroosmotic nature and occurs as a result of a shift in the ion equilibrium in the hydrogel volume, ion transport through the hydrogel, and electrochemical reactions on the electrodes. The effect of a pronounced change in the degree of swelling of the polyelectrolyte hydrogel can also be achieved by changing the pH of the liquid in which it is immersed.

Оценка эффективности заявляемого электроуправляемого элемента исполнительного устройства на основе полимерного гидрогеля проводилась на предварительном макете исполнительного устройства. Определено, что на кольце из гидрогеля, полученного на основе полиакриловой кислоты и поливинилового спирта с диаметром сечения 2 мм можно получить максимальное перемещение до 7 мм (без использования масштабирующих рычажных устройств) при средней скорости перемещения 1-1.5 мм/с. Среднее усилие при сжатии кольца - 0.1-0.2 Н. Рабочее напряжение на устройстве изменялось от 30 до 100 В, а ток находился в диапазоне 9-12 мА. В случае параллельного соединения 10 колец (нанизанных на одну пару электродов) усилие достигает 1-2 Н. Соответственно, 100 колец дают усилие 10-20 Н. Последовательное соединение параллельных структур колец из одного и того же вида гидрогеля позволяет получить перемещения 14, 21, 28 мм и т.д.Evaluation of the effectiveness of the inventive electrically-driven element of the actuator based on a polymer hydrogel was carried out on a preliminary layout of the actuator. It was determined that on a ring of hydrogel obtained on the basis of polyacrylic acid and polyvinyl alcohol with a cross-sectional diameter of 2 mm, a maximum displacement of up to 7 mm can be obtained (without using scaling lever devices) at an average displacement speed of 1-1.5 mm / s. The average compression force of the ring is 0.1-0.2 N. The operating voltage on the device varied from 30 to 100 V, and the current was in the range of 9-12 mA. In the case of a parallel connection of 10 rings (strung on one pair of electrodes), the force reaches 1-2 N. Accordingly, 100 rings give a force of 10-20 N. The serial connection of parallel ring structures from the same type of hydrogel makes it possible to obtain displacements 14, 21, 28 mm, etc.

Таким образом, исполнительное устройство, использующее управляемый элемент на основе гидрогеля, обеспечивает создание на его основе эффективных устройств робототехники и автоматики.Thus, an actuator using a controlled element based on a hydrogel ensures the creation of effective robotics and automation devices on its basis.

Claims

1. Actuator, characterized in that it is made in the form of a parallel-serial structure of electroactive hydrogel elements, the dimensions of which are controlled by an external electric field, and to create the required level of effort, these elements are connected in parallel packages, and to implement a given level of movement, the packages are connected sequentially.

2. The actuator according to claim 1, characterized in that an external electric field and, additionally, a change in the pH of the liquid, into which the parallel-serial structure of the hydrogel elements are immersed, are used to actuate it.