Juhtmevaba toitega täitur

Juhtmevaba toitega täitur on mootor või muundur, mis saab tööks vajaliku toite õhu kaudu. Ioonpolümeer-metall komposiit (IPMK) täitur onelektroaktiivsete polümeeride (EAP) alaliik, mis võimaldab projekteerida uut tüüpi roboteid, mis suudavad imiteerida bioloogilisi eluvorme tänu pehmele struktuurile ja väiksele energiatarbele. Vaatamata sellele, et elektroaktiivsetel polümeeridel on suur potentsiaal tehislihaste arendamisel, on seda tüüpi täituritel probleemiks toitepinge. Näiteks robootikas võib kujuneda patarei kaalust kriitiline tegur roboti korralikuks toimimiseks. Üks lahendus on projekteerida juhtmevaba toite ülekanne IPMK-täituri ja kontrolleri vahel, milleks saab kasutada spetsiaalset planaarantenni IPMK-täituri pinnal toite vastuvõtmiseks . Juhtmevaba toite ülekanne on paljulubav tehnoloogiline lahendus, kui vajatakse pikaajalist toidet juhtmevabale seadmele. Toite ülekandmiseks on olemas mitu võimalust, näitekselektromagnetililisel kiirgusel võielektromagnetilisel induktsioonil põhinev toite ülekanne. Elektromagnetiline kiirgus on suurema kasuteguriga kui elektromagnetilisel induktsioonil põhinev toite ülekanne, kuna see võimaldab energiat kanda üle pikemate vahemaade korral ning lisaks saab vastuvõtja projekteerida väiksema ja kergema. Näiteks miniatuurne 0,2 g kaaluv vastuvõtja suudab tekitada piisavalt energiat ühe IPMK-täituri juhtimiseks. Elektromagnetilise kiirguse kasutamisel toite ülekandmisel on peamiseks komponendiks alaldav antenn, mis on kombinatsioon alaldavast vooluringist ja antennist. Toite ülekandmiseks IPMK-täiturile paigutatakse planaarantennid IPMK-elektroodile nii, et nad käituksid kui alaldav antenn. Lihtne alaldava antenni element koosneb dipoolantennist koos raadiosagedusliku dioodiga (RF diood), mis on ühendatud üle dipooli elementide. Diood alaldab vahelduvpinget, mis indutseeritakse antennis elektromagnetlainete poolt, et toota alalispinget. Antenn võtab vastu elektromagnetenergiat, mille alaldav vooluring muundab elektrienergiaks. Nagu eespool mainitud, siis alaldav antenn on kombinatsioon alaldavast vooluringist ja antennist. IPMK-täituri juhtimiseks elektromagnetkiirgusega on vajalik kõrgsageduslainete detektor. Positiivse laine korral detektori diood blokeerib sissetuleva laine ning kondensaator ja IPMK laetakse positiivse laenguga, mis muudab IPMK kuju. Negatiivse laine korral diood laseb läbi negatiivse laine, millega kaasneb IPMK algse kuju taastumine. IPMK algse kuju taastamisega ning vastupidises suunas paindumisega kaasnevad aga mitmed probleemid, kuna elektromagnetilisest kiirgusest saab tekitada vaid positiivset pinget. Näiteks kui IPMK-le rakendatud pinge on saanud nulliks, siis seetõttu, et talletatud energiat kaotatakse vähesel määral, on IPMK algse kuju taastumine väga aeglane. Selleks, et parandada IPMK vastupidises suunas paindumise kiirust, peaks IPMK-täitur kulutama laetud energiat, mis koguti positiivse paindumise ajal. Sellisel juhul toimib IPMK kui laadiv kondensaator, et aga laetud IPMK kulutaks enda kogutud energia võimalikult kiiresti, tuleks kasutada lisaks koormustakistit. Sel juhul aeg, mis kulub kogutud laengu kulutamiseks, lüheneb oluliselt ning IPMK paindumise kiirus vastupidises suunas paraneb. Tänu sellele, et IPMK-d saab panna edukalt painduma, kasutades elektromagnetilist kiirgust, ning seejärel kuju taastama, võimaldab see luua rohkem liikuvust robootika seadmetele. Üksiku dioodiga alaldavat vooluringi saab muuta veelgi tõhusamaks kasutades pingekordistit. Sel juhul laetakse sisendiga kondensaatoreid ning lülitatakse laengud ümber niiviisi, et ideaaljuhul saadakse kahekordse pingega väljund. Näiteks töösagedusel 8–10 GHz ja 37 mW toiteallikaga, on pingekordistiga elektriahelas väljund 0,65 V, mis on 60% kõrgem kui üksiku dioodiga ahelas, kus on väljund sama sisendi korral 0,4 V. Üks unikaalseid lisavõimalusi, mis kaasneb toite ülekandmisel elektromagnetilise kiirgusega, on võimalus juhtida rohkem kui ühte IPMK-täiturit. Selleks kasutatakse mitut alaldavat antenni, mida kiiritatakse vastavate elektromagnetiliste signaalidega. Alaldavad antennid peavad olema projekteeritud vastavalt, et nad sobituksid signaaliallika välja saadetavate sagedustega . Kui alaldavad antennid oleksid projekteeritud ja valmistatud ideaalselt, peaks tulemus olema selline, et kindlat sagedust vastuvõttev IPMK-täitur reageerib ainult ühele kindlale sagedusele ning kui kiiritatakse mitme erineva sagedusega vaheldumisi, reageerivad mõlemad IPMK-täiturid. Kui mõlema IPMK-täituri kiiritamine lõpetatakse, hajutatakse energia, mille olid kogunud kondensaatorid ja täiturid, mistõttu täiturid taastavad algupärase kuju. Paraku kindlalt sagedust vastuvõtvate alaldavate antennide projekteerimisel on teiste sageduste isoleerimine väga keeruline nende antennide iseäraliku tootmisprotsessi tõttu. Levinud probleem on, kui näiteks kasutatakse 8,3 GHz ja 9 GHz elektromagnetlaineid, siis pärast 8,3 GHz lainega kiiritamise lõpetamist indutseeritakse 8,3 GHz vastuvõtjas pinget edasi, kuigi kiiritatakse vaid 9 GHz lainega. Juhtides IPMK-täiturit 9 GHz mikrolainega, on teoreetiliselt olemas mitmeid võimalike segajaid. Üheks võimalikuks segajaks võiksid osutuda satelliidid, mille ülekande sagedusvahemik on 9–12 GHz, kuid kuna satelliidi signaal on piisavalt nõrk, võib seda segajat eirata. Teist võimalikku segajat, milleks on mobiilsides kasutatavad lained, saab samuti eirata, kuna sel juhul on tegemist erineva sagedusega lainetega (850 ja 1900 MHz). Juhtmevabalt saab IPMK-täiturile toidet üle kanda kasutades induktiivset laadimist, mis onelektromagnetilise välja kasutamine energia ülekandmiseks. Induktiivtoite korral saadetakse energia induktiivsidestamisega IPMK-täiturile. Niisugune juhtmevaba energia ülekandmisskeem koosneb kolmest põhilisest komponendist, milleks on energiaallikas, mille energiat soovitakse juhtmevabalt üle kanda; resonantssidestussüsteem, mis koosneb magnetiliselt sidestatud poolidest, mille eesmärk on toiteallika energiat kanda juhtmevabalt edasi vastuvõtjale ja toitesüsteem, mille eesmärk on muundada raadiosagedusel vastuvõetud signaal madalsageduslikuks ristküliksignaaliks, et toita IPMK-täiturit. Toitesüsteem ehitatakse IPMK-täituri pinnale. Välise toiteahela ülesandeks on tekitada ristkülikukujulist signaali, mis on sisendiks resonantssidestussüsteemile. Resonantssidestussüsteem koosneb kahest paarist resonantselt sidestatud poolist, mille eesmärkideks on vastavalt olla signaaliallikas ja vastuvõtja. Selleks, et suurendada paaride vahel induktiivset sidusust, on poolid igas paaris koaksiaalselt ja samal tasapinnal. Toitesüsteemi eesmärk on muundada vahelduvvool alalisvooluks. Lisaks koosneb toitesüsteem ostsillaatorist, mille eesmärk on tekitada ristküliksignaali, ningH-sillast, mis on vajalik IPMK-täituri juhtimiseks ja signaali puhverdamiseks. Ostsillaator ja H-sild saavad toite pingeregulaatorist. Täitureid saab juhtida pikaajaliselt. Kaalu vähendamine muudab täiturid tõhusamaks. Juhtmevabalt on saavutatav üsna samaväärne võimsus kui statsionaarse toitega. Juhtmevaba toide loob uued võimalused täiturite kasutamiseks erinevates keskkondades, näiteks vedelikes. Elektroonika on üsna keeruline. Mikrolainete vastuvõtja valmistamine on keerukas ja suurt täpsust nõudev. Mikrolaine kiirguse muundurit, mis kannaks tõhusalt üle energiat täiturile, on keeruline valmistada. IPMK elektrilised omadused vähendavad planaarantenni tõhusust. IPMK elektroodi elektrijuhtivus on tugevas sõltuvuses vastuvõetud pinge amplituudist. Täituri töö on piiratud signaali levimise ja tugevusega. J.S Lee, W. Yim, C.Bae, K.J. Kim Wireless actuation and control of ionic polymer-metal composite actuator using a microwave link, International Journal of Smart and Nano Materials, 2012. What is a Rectenna? Voltage multipliers List of all Satellite Frequencies Cellular Antennas, Amplifiers and Repeaters are Frequency Specific K. Abdelnour, A. Stinchcombe, M. Porfiri, J. Zhang, S. Childress Wireless Powering of Ionic Polymer Metal Composites Toward Hovering Microswimmers IEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS 2012