ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО

Предложение относится к области изделий автоматики и робототехники, преобразующих электрическую энергию в механическую.
6
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 10 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»).
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.
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.
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.
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.
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.
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.
Конструкция исполнительного устройства показана на чертежах, где:
на фиг. 1 - общий вид устройства,
на фиг. 2 и 3 - изменение размеров устройства при подаче электрического напряжения, изменения pH внешней среды или взаимного действия этих управляющих параметров.
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.
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.
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.
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.
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.
Таким образом, исполнительное устройство, использующее управляемый элемент на основе гидрогеля, обеспечивает создание на его основе эффективных устройств робототехники и автоматики.