ИСПОЛНИТЕЛЬНОЕ УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ ЭЛЕКТРОАКТИВНОГО МАТЕРИАЛА
EXECUTIVE DEVICE BASED ON ELECTROACTIVE MATERIAL

ОБЛАСТЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОЙ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Настоящее изобретение относится к исполнительным устройствам, которые используют электроактивные материалы, такие как электроактивные полимеры.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ, К КОТОРОМУ ОТНОСИТСЯ ИЗОБРЕТЕНИЕ
Электроактивные полимеры (electroactive polymer - EAP) являются новым классом материалов в области электрически управляемых материалов. EAP могут работать в качестве датчиков или исполнительных устройств и легко могут быть изготовлены в различных формах, допускающих легкую интеграцию в целый ряд систем.
Были разработаны материалы с характеристиками, такими как механическое напряжение и деформация срабатывания, которые были значительно улучшены за последние десять лет. Технологические риски были снижены до приемлемых для разработки изделий уровней, так что EAP становятся все более интересными с коммерческой и технической точек зрения. Преимущества EAP включают в себя низкую мощность, малый формфактор, гибкость, бесшумную работу, точность, возможность высокого разрешения, малое время срабатывания, и циклическое срабатывание.
Улучшенная эффективность и конкретные преимущества материалов на основе EAP обуславливают их пригодность к новым применениям.
Устройство на основе EAP может быть использовано в любом применении, в котором требуется малая величина перемещения компонента или элемента на основе электрического срабатывания. Подобным образом, эта технология может быть использована для считывания малых перемещений.
Использование EAP обеспечивает функции, которые были невозможны прежде, или обеспечивает большое преимущество перед обычными решениями датчиков/ исполнительных устройств, вследствие комбинации относительно большой деформации и усилия в малом объеме или тонком формфакторе, по сравнению с обычными исполнительными устройствами. EAP также обеспечивают бесшумную работу, точное электронное управление, быстрое срабатывание, и большой диапазон возможных частот срабатывания, например, 0-20 кГц.
Устройства, использующие электроактивные полимеры, могут быть подразделены на материалы с полевым управлением и материалы с ионным управлением.
Примерами EAP с полевым управлением являются диэлектрические эластомеры, электрострикционные полимеры (такие как релаксорные полимеры или полиуретаны на основе PVDF) и жидкокристаллические эластомеры (liquid crystal elastomers - LCE).
Примерами EAP с ионным управлением являются сопряженные полимеры, композиционные полимерные материалы на основе углеродных нанотрубок (carbon nanotube - CNT) и ионные полимерно-металлические композиционные материалы (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC).
EAP с полевым управлением приводятся в действие электрическим полем посредством прямого электромеханического соединения, в то время как механизм срабатывания ионных EAP включает в себя диффузию ионов. Оба класса имеют множество членов семейства, каждый из которых имеет свои собственные преимущества и недостатки.
Фиг. 1 и 2 показывают два возможных режима работы устройства на основе EAP.
Устройство содержит слой 14 электроактивного полимера, расположенный между электродами 10, 12, расположенными на противоположных сторонах слоя 14 электроактивного полимера.
Фиг. 1 показывает устройство, которое не закреплено. Чтобы вызвать показанное расширение слоя электроактивного полимера во всех направлениях, используют напряжение.
Фиг. 2 показывает устройство, которое выполнено таким образом, что расширение возникает только в одном направлении. Это устройство поддерживается несущим слоем 16. Чтобы вызвать изгиб или выгиб слоя электроактивного полимера, используют напряжение.
Природа этого перемещения состоит, например, во взаимодействии между активным слоем, который расширяется при срабатывании, и пассивным несущим слоем. Для получения показанного асимметричного изгиба вокруг некоторой оси, может быть применена, например, молекулярная ориентация (растяжение пленки), усиливающая перемещение в одном направлении.
Расширение в одном направлении может быть результатом асимметрии электроактивного полимера, или оно может быть результатом асимметрии свойств несущего слоя, или оно может быть результатом комбинации обоих факторов.
Вследствие свойственного им малого формфактора, электроактивные полимеры хорошо подходят для использования в применениях, где необходимо реализовать множественные функции, и, таким образом, где необходимы множественные исполнительные устройства. Например, в некоторых применениях может быть полезен массив исполнительных устройств, например, в системах позиционирования и поверхностях с управляемой топологией.
Однако, решение для основных соединений может потребовать соединения по меньшей мере одного провода или кабеля с каждым из исполнительных устройств и, дополнительно, одного (общего) соединения с землей. Чем больше число исполнительных устройств, тем более сложными становятся электрические соединения. Если потребуется адресовать сотни исполнительных устройств, например, в матричном подходе, то это невозможно будет легко реализовать посредством общепринятой схемы электропроводки, особенно если потребуются малые формфакторы, такие как формфакторы в мобильных устройствах или в медицинском хирургическом оборудовании.
Например, в устройстве на основе катетера или проволочного направителя, было бы невозможно обеспечить отдельное управление всеми исполнительными устройствами посредством проводов, выходящих из конца устройства, поскольку это потребовало бы прохождения проводов по всей длине устройства. В практических ситуациях не имеется достаточного пространства для размещения этих проводов, и, дополнительно, эти провода уменьшили бы маневренность устройства.
Длинные провода также склонны к дефектам (к обрыву или короткому замыканию), что может, в частности, иметь место, если провода будут изготовлены тонкими.
Альтернативный подход, который позволяет уменьшить число линий соединения, состоит в использовании матричной схемы адресации.
Пассивный матричный массив является простой реализацией системы управления массивом, использующей только строчные (n строк) и столбцовые (m столбцов) соединения. Для адресации вплоть до (n*m) исполнительных устройств требуется только (n+m) устройств возбуждения. Это обеспечивает эффективный по стоимости подход, который также уменьшает число проводов.
Однако пассивный матричный массив исполнительных устройств на основе EAP будет страдать от перекрестных помех между смежными исполнительными устройствами. При приложении напряжения для срабатывания одного исполнительного устройства, исполнительные устройства, находящиеся вокруг него, также подвергаются воздействию некоторого напряжения и будут частично срабатывать, что является нежелательным эффектом для многих применений. Это означает, что существует наилучшая мера контраста срабатывания, которая может быть достигнута. Следовательно, в случае пассивной матричной схемы адресации трудно отдельно адресовать каждое исполнительное устройство независимо от других исполнительных устройств.
Рассматривалось использование активной матрицы для адресации массивов исполнительных устройств на основе электроактивных полимеров, например, для применений, связанных с электронной брайлевской печатью. Подход с активной матрицей включает в себя обеспечение переключающего устройства у каждого исполнительного устройства на основе электроактивного полимера, на пересечении строчного проводника и столбцового проводника. Таким образом, каждое исполнительное устройство в массиве может, при необходимости, срабатывать отдельно.
Однако это требует циклической последовательности адресации, так что массив устройств не может, в сущности, адресоваться одновременно. Также, все же требуется значительное число соединений для всех строк и столбцов массива.
Другая проблема состоит в том, что каждое устройство с исполнительными устройствами и контроллерами может требовать как высоких напряжений для исполнительных устройств, обычно около 200 В, так и низких управляющих напряжений для управляющей электроники. Это снова подразумевает дополнительные соединения с исполнительным устройством.
СУЩНОСТЬ ИЗОБРЕТЕНИЯ
Таким образом, существует потребность в схеме адресации, которая может адресовать множество EAP при одновременном обеспечении высоких и низких напряжений, требуемых для работы системы, и использовании меньшего числа электрических соединений.
Целью настоящего изобретения является по меньшей мере частичное удовлетворение вышеупомянутой потребности. Эта цель по меньшей мере частично достигается настоящим изобретением, определенным независимыми пунктами формулы изобретения. Зависимые пункты формулы изобретения обеспечивают предпочтительные варианты осуществления.
Согласно примерам в соответствии с одним аспектом настоящего изобретения, обеспечено устройство, содержащее:
множество исполнительных блоков на основе электроактивного материала, расположенных в виде линейного набора, причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит по меньшей мере два контакта шины питания и по меньшей мере один контакт линии передачи цифровых данных;
по меньшей мере две шины питания и линию передачи данных, причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала присоединен параллельно между упомянутыми по меньшей мере двумя шинами питания, причем упомянутые по меньшей мере две шины питания соединяются с упомянутыми по меньшей мере двумя контактами шины питания; и
соединения линии передачи данных между каждой парой смежных исполнительных блоков на основе электроактивного материала линейного набора,
причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит:
исполнительное устройство на основе электроактивного материала;
цифровой контроллер, соединенный с упомянутым по меньшей мере одним контактом линии передачи данных для приема данных из линии передачи данных; и
устройство возбуждения для возбуждения исполнительного устройства на основе электроактивного материала в зависимости от принимаемых данных.
Термин «линейный набор» означает, что блоки электрически соединены в линию. Физическая конфигурация может, однако, иметь любую требуемую форму, включающую в себя двумерный массив блоков.
Это устройство использует единственную линию передачи данных для адресации множественных исполнительных устройств. Исполнительные блоки также питаются энергией от общих шин питания (они присоединены параллельно между этими шинами питания), так что малый набор шин питания и линий передачи данных используется для управления всеми исполнительными блоками. Может существовать единственная линия передачи данных, которая соединяется со всеми блоками параллельно, или может быть последовательное соединение линии передачи данных между блоками. Линия передачи данных образует цифровую шину.
Эта конструкция обеспечивает малый формфактор для полного устройства с малым числом электрических соединений, которые должны трассироваться к исполнительным блокам и от них.
В одном примере, каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала может дополнительно содержать блок питания, причем блок питания содержит преобразователь электропитания для получения первого электропитания для контроллера и второго электропитания для устройства возбуждения из сигнала на одной из упомянутых по меньшей мере двух шинах питания. Эта конструкция позволяет обеспечить только две шины питания; мощную шину питания и общую опорную шину питания, такую как шина заземления. Сигнал мощной шины питания тогда используется для получения относительно высоковольтного электропитания для устройства возбуждения для подачи его на исполнительное устройство и относительно низковольтное электропитание для цифрового контроллера.
В другом примере, устройство содержит три шины питания, содержащие общую опорную шину питания, шину питания контроллера и шину питания устройства возбуждения, причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит три соответствующих контакта шины питания. В этом случае, схемотехника каждого блока может быть упрощена посредством подачи двух разных электропитаний на блоки.
В одном наборе примеров, каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит входной контакт линии передачи данных и выходной контакт линии передачи данных, причем соединения линии передачи данных находятся между выходным контактом линии передачи данных одного исполнительного блока на основе электроактивного материала и входным контактом линии передачи данных следующего исполнительного блока на основе электроактивного материала.
Это образует последовательное соединение блоков. Линия передачи данных соединяется с первым из блоков, и сигнал тогда проходит (после локальной модификации) от одного блока к следующему блоку.
Контроллер полного устройства используется для обеспечения электропитания на шинах питания и сигнала данных на линии передачи данных. Контроллер устройства может быть в этом наборе примеров выполнен с возможностью обеспечивать сигнал данных, который содержит набор слов данных, расположенных последовательно, причем каждое слово данных связано с соответствующим одним из исполнительных блоков на основе электроактивного материала, причем контроллер каждого исполнительного блока на основе электроактивного материала выполнен с возможностью удалять связанное слово данных. Таким образом, когда сигнал данных проходит вдоль последовательного соединения, слово, подлежащее считыванию, удаляется. Таким образом, каждый блок выполняет одно и то же действие, состоящее в считывании слова, находящегося в конкретном положении сигнала данных (например, спереди), и в удалении этого слова из сигнала. Таким образом, все блоки могут иметь одинаковую конструкцию, и контроллер полного устройства осуществляет управление тем, какие слова данных достигают каждого блока.
В другом наборе примеров, каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит входной контакт линии передачи данных, причем соединения линии передачи данных находятся между входным контактом линии передачи данных одного исполнительного блока на основе электроактивного материала и входным контактом линии передачи данных следующего исполнительного блока на основе электроактивного материала. В этом случае, все входные контакты линии передачи данных становятся соединенными параллельно с одной и той же линией передачи данных.
Контроллер устройства снова используется для обеспечения электропитания на шинах питания и сигнала данных на линии передачи данных. Контроллер устройства может быть в этом наборе примеров выполнен с возможностью обеспечивать сигнал данных, который содержит набор идентификационных слов и слов данных, расположенных последовательно, причем каждое идентификационное слово связано с соответствующим одним из исполнительных блоков на основе электроактивного материала, причем контроллер каждого исполнительного блока на основе электроактивного материала выполнен с возможностью распознавать свое собственное связанное идентификационное слово и считывать связанное слово данных. Таким образом, все блоки принимают один и тот же сигнал данных, но разные его участки связаны с разными идентификаторами. Это означает, что каждый блок должен узнавать свой собственный идентификатор, чтобы релевантное слово данных могло быть идентифицировано в сигнале данных.
Исполнительные устройства на основе электроактивного материала, например, содержат исполнительные устройства на основе электроактивного полимера.
Примеры в соответствии с другим аспектом настоящего изобретения обеспечивают способ срабатывания устройства, которое содержит:
множество исполнительных блоков на основе электроактивного материала, расположенных в виде линейного набора, причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит по меньшей мере два контакта шины питания и по меньшей мере один контакт линии передачи цифровых данных;
по меньшей мере две шины питания и линию передачи данных, причем каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала присоединен параллельно между упомянутыми по меньшей мере двумя шинами питания, причем упомянутые по меньшей мере две шины питания соединяются с упомянутыми по меньшей мере двумя контактами шины питания; и
соединения линии передачи данных между каждой парой смежных исполнительных блоков на основе электроактивного материала линейного набора,
причем способ содержит этапы, на которых:
обеспечивают сигнал электропитания между упомянутыми по меньшей мере двумя шинами питания; и
обеспечивают данные возбуждения для всех исполнительных блоков на основе электроактивного материала на линии передачи данных в виде единственного объединенного сигнала данных, и в каждом отдельном исполнительном блоке на основе электроактивного материала идентифицируют релевантный участок объединенного сигнала данных, и возбуждают исполнительное устройство на основе электроактивного материала исполнительного блока на основе электроактивного материала в зависимости от релевантного участка. Идентификация релевантного участка объединенного сигнала данных может быть выполнена с использованием цифрового контроллера, такого как контроллер любого из заявленных устройств.
Этот способ позволяет использовать для всех блоков совместно используемую линию передачи данных, а также совместно используемые шины питания.
В каждом исполнительном блоке на основе электроактивного материала, первое электропитание может быть получено для локального контроллера и второе электропитание может быть получено для локального устройства возбуждения из сигнала на одной из упомянутых по меньшей мере двух шин питания.
Таким образом, число внешних шин питания может быть минимальным.
В одном наборе примеров, каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит входной контакт линии передачи данных и выходной контакт линии передачи данных, причем соединения линии передачи данных находятся между выходным контактом линии передачи данных одного исполнительного блока на основе электроактивного материала и входным контактом линии передачи данных следующего исполнительного блока на основе электроактивного материала. Способ может тогда содержать этапы, на которых:
обеспечивают сигнал данных, который содержит набор слов данных, расположенных последовательно, причем каждое слово данных связано с соответствующим одним из исполнительных блоков на основе электроактивного материала; и
в каждом исполнительном блоке на основе электроактивного материала удаляют связанное слово данных.
В другом наборе примеров, каждый исполнительный блок на основе электроактивного материала содержит входной контакт линии передачи данных, причем соединения линии передачи данных находятся между входным контактом линии передачи данных одного исполнительного блока на основе электроактивного материала и входным контактом линии передачи данных следующего исполнительного блока на основе электроактивного материала. Способ может тогда содержать этапы, на которых:
обеспечивают сигнал данных, который содержит набор идентификационных слов и слов данных, расположенных последовательно, причем каждое идентификационное слово связано с соответствующим одним из исполнительных блоков на основе электроактивного материала;
в каждом исполнительном блоке на основе электроактивного материала распознают свое собственное связанное идентификационное слово и считывают связанное слово данных.
Этапы способа могут быть по меньшей мере частично реализованы посредством программного средства. Настоящее изобретение обеспечивает компьютерную программу (компьютерный программный продукт), содержащую компьютерно-читаемый код, хранимый или запоминаемый на компьютерно-читаемом носителе данных или загружаемый из сети связи, причем этот код, при выполнении на компьютере, может вызывать или вызывает выполнение этапов любого из заявленных способов. Способ настоящего изобретения может быть, таким образом, реализован в программном средстве, которое способно управлять контроллером и устройством возбуждения, возможно, включающим в себя генератор сигналов, для возбуждения заявленного устройства. Контроллер или главный контроллер может содержать процессор и память, причем память имеет хранимую в ней компьютерную программу, и процессор выполнен с возможностью выполнять компьютерный программный продукт. Часть компьютерной программы может храниться и работать в контроллере каждого исполнительного блока. Необязательно, устройство может включать в себя пользовательские устройства ввода и/или вывода и связанные интерфейсы для управления устройством либо в автоматическом, либо в ручном режиме.
Все признака способа и их преимущества могут быть преобразованы в признаки компьютерной программы или контроллера посредством адаптации контроллера или компьютерного программного продукта. Процессор может быть полупроводниковым процессором, таким как центральный процессор и т.д. Память может быть RAM-памятью или ROM-памятью любых типов, к которым может получать доступ процессор. Компьютерно-читаемый носитель данных может быть памятью, определенной здесь выше, и он может быть, например, CD, DVD Blue Ray или памятью на основе жесткого диска. Альтернативно, он может быть твердотельной памятью, например, памятью, содержащейся в SD-, флэш- или USB-картах памяти или накопителях. Компьютерно-читаемый носитель данных может быть также сетью связи, такой как LAN, WAN или локальная сеть и т.п., из которой может быть загружена программа.
КРАТКОЕ ОПИСАНИЕ ЧЕРТЕЖЕЙ
Примеры настоящего изобретения будут теперь подробно описаны со ссылкой на сопутствующие чертежи, в которых:
Фиг. 1 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое не закреплено;
Фиг. 2 показывает известное устройство на основе электроактивного полимера, которое ограничено защитным слоем;
Фиг. 3 показывает первый пример исполнительного блока на основе электроактивного материала;
Фиг. 4 показывает набор блоков фиг. 3, соединенных вместе для образования устройства;
Фиг. 5 показывает структуру сигналов данных для устройства фиг. 4;
Фиг. 6 показывает набор блоков второй конструкции, соединенных вместе для образования устройства;
Фиг. 7 показывает структуру сигналов данных для устройства фиг. 6;
Фиг. 8 показывает катетер, который использует набор исполнительных устройств для управления.
ПОДРОБНОЕ ОПИСАНИЕ ВАРИАНТОВ ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ
Настоящее изобретение обеспечивает устройство (и способ работы устройства), которое содержит множество исполнительных блоков на основе электроактивного материала, расположенных в виде линейного набора. Данные для управления возбуждением отдельных блоков обеспечиваются на линии передачи данных, и соединения линии передачи данных выполнены между каждой парой смежных исполнительных блоков на основе электроактивного материала. Исполнительными блоками на основе электроактивного материала управляют в зависимости от данных, принимаемых из линии передачи данных.
Настоящее изобретение обеспечивает уменьшение сложности электропроводки, когда необходимо адресовать множественные исполнительные устройства и управлять ими в малых средах применения.
Фиг. 3 показывает первый пример исполнительного блока 20 на основе электроактивного материала. Предполагается, что множественные такие блоки образуют полное устройство, причем эти блоки расположены в виде линейного набора (как будет объяснено ниже). Каждый исполнительный блок 20 на основе электроактивного материала содержит по меньшей мере два контакта PL1 и PL2 шины питания и по меньшей мере один контакт DL1 линии передачи цифровых данных.
Фиг. 3 показывает первую шину Vop питания, на которую подают рабочее напряжение, которая соединяется с первым контактом PL1 шины питания блока 20. Показана необязательная третья шина Vop2 питания, которая соединяется с третьим контактом PL3 шины питания. Опорное напряжение Vref образуется второй шиной питания, которая соединяется со вторым контактом PL2 шины питания, и эта шина питания может быть шиной заземления. Первая линия Din передачи данных (ввода данных) соединяется с первым контактом DL1 линии передачи данных, и в примере фиг. 3 каждый блок 20 также имеет второй контакт DL2 линии передачи данных (вывода данных), который соединяется с линией Dout передачи данных.
Исполнительный блок 20 на основе электроактивного материала содержит исполнительное устройство 21 на основе электроактивного материала. Одно или более таких исполнительных устройств могут находиться в каждом блоке 20. Цифровой контроллер 26 соединен с контактами линии передачи данных для приема данных из линии Din передачи данных. Он интерпретирует команды возбуждения, которые затем используются для управления устройством 24 возбуждения таким образом, чтобы оно возбуждало исполнительное устройство 21 на основе электроактивного материала в зависимости от принимаемых данных.
Для минимизации числа необходимых внешних линий, пример фиг. 3 имеет блок 22 питания. Блок питания содержит преобразователь электропитания для получения первого электропитания Vs1 для контроллера 26 и второго электропитания Vs2 для устройства 24 возбуждения из сигнала Vop на первой шине питания. Посредством обеспечения блока 22 питания в каждом блоке 20 устраняется потребность во втором электропитании Vop2.
На блок 22 питания может быть подано переменное (AC) или, предпочтительно, постоянное (DC) напряжение. В зависимости от амплитуды напряжения, блок питания должен быть способен преобразовывать входное напряжение в (низкое) постоянное рабочее напряжение для цифровой логической части (частей) и в (высокое) постоянное напряжение, пригодное для управления исполнительным устройством. Если используется высокое рабочее напряжение (Vop), то тогда блок питания должен только преобразовывать с понижением упомянутое напряжение для генерирования низкого постоянного рабочего напряжения для цифрового управления.
Таким образом, блок питания может содержать выпрямитель (AC/DC-converter). Он может содержать повышающий преобразователь постоянного напряжения и/или понижающий преобразователь постоянного напряжения. Таким образом, в зависимости от полного подаваемого сигнала электропитания, напряжение может быть увеличено для обеспечения электропитания устройства возбуждения, или уменьшено для обеспечения электропитания цифрового контроллера, или как увеличено, так и уменьшено (например, если обеспечивается промежуточное напряжение).
Если обеспечиваются два электропитания (Vop1, Vop2, а также опорное напряжение), то блоки могут не иметь внутренней способности преобразовывать электропитание. Блокам необходимы два электропитания, поскольку высокие напряжения необходимы для возбуждения исполнительного устройства (например, 100 В или более), тогда как низкое напряжение (например, 5 В) необходимо для питания энергией цифровых схем.
Первое электропитание (Vop) может вместо этого обеспечивать среднеуровневую амплитуду напряжения таким образом, чтобы все же требовался относительно низкий коэффициент повышающего преобразования для обеспечения требуемого напряжения Vs2 для питания энергией устройства возбуждения. Результатом использования двух электропитаний являются значительно меньшие блоки, поскольку не требуются никакие (или требуются только малые) блоки преобразования электропитания.
Блок также включает в себя цифро-аналоговый преобразователь, который принимает цифровые данные и получает пригодные аналоговые возбуждающие сигналы для устройства возбуждения. В показанном примере, цифро-аналоговый преобразователь является частью контроллера 26. Он используется для обеспечения интерпретации цифровых команд на линии передачи данных, чтобы устройством возбуждения можно было управлять для обеспечения для исполнительного устройства соответствующего аналогового уровня срабатывания.
Цифро-аналоговый преобразователь является доступным в виде интегральных схем, а также может быть изготовлен из аналоговых электронных схем. Предпочтительное решение основано на использовании простого (низкостоимостного) микроконтроллера для цифро-аналогового преобразования, а также для дополнительных функций обработки.
Блоки фиг. 3 выполнены с возможностью соединяться последовательную цепочку для передачи данных.
Предположим, что обеспечено только одно внешнее электропитание, блок 20 нуждается только в четырех электрических проводах для питания и управления любым числом блоков, в частности, соединенных посредством последовательной шины и работающих, таким образом, с последовательной адресацией.
Два контакта используются для питания блоков, и два дополнительных контакта требуются для ввода и вывода цифровых данных. На фиг. 3, никакие требуемые пассивные компоненты, такие как параллельные конденсаторы, находящиеся на каждом контакте электропитания, не показаны.
Питание (посредством пары шин Vop и Vref) может быть реализовано в виде параллельной конфигурации для каждого блока из набора.
В расположении с последовательным соединением, цифровой выход Dout предыдущего блока соединен с цифровым входом Din следующего блока. Конфигурация с последовательным соединением показана на фиг. 4 для трех блоков 20a, 20b, 20c. Она показывает, что все блоки являются параллельными относительно шин Vop и Vref питания, но они являются последовательными относительно линии Din передачи данных.
Расположение с последовательным соединением определяет линейное электрическое соединение набора блоков. Первый блок 20а в наборе принимает свой поток цифровых данных от контроллера 40 полного устройства, который может генерировать цифровые данные для управления блоками. Последний цифровой выход из блока 20с в конце линейного соединения блоков может быть оставлен незамкнутым, как показано на фиг. 4, или нагружен на резистор или присоединен обратно к цифровому входу главного контроллера 40, например, чтобы обеспечить возможность осуществления проверки того, все ли данные были правильно приняты блоками. Это обратное соединение с контроллером 40 устройства может быть также использовано для обеспечения двунаправленной связи таким образом, чтобы контроллер устройства мог принимать данные, генерируемые блоками.
Фиг. 4, таким образом, показывает, что каждый исполнительный блок 20a, 20b, 20c на основе электроактивного материала присоединен параллельно между по меньшей мере двумя шинами Vop и Vref питания, и что соединения 42 линии передачи данных обеспечены между каждой парой смежных исполнительных блоков на основе электроактивного материала из набора.
Все электронные схемы могут быть объединены в одну интегральную схему (например, специализированную интегральную схему (application specific integrated chip - ASIC)) с обеспечением, при необходимости, только нескольких компонентов для электропитания, соединенных с ней. Например, большинство аналоговых и цифровых электронных схем могут быть объединены и встроены в ASIC с обеспечением только ограниченного числа пассивных компонентов (например, катушек индуктивности и конденсаторов) и/или активных компонентов (например, транзисторов), соединенных с ней.
Каждый исполнительный блок 20a, 20b, 20c должен реагировать на прием потока цифровых сигналов таким образом, чтобы отклонением можно было управлять на основе цифровой информации. Фиг. 5 показывает один пример возможного формата сигнала, обеспечиваемого для линии передачи данных для примера с последовательным соединением, показанного на фиг. 4. Показаны два цикла ACn и AC(n+1) срабатывания.
8
Должно быть определено разрешение цифро-аналогового преобразования. В качестве примера рассмотрим 8-битовое разрешение. В этом случае, из 8-битового слова максимально может быть реализовано 2=256 аналоговых состояний. Отображение между аналоговой амплитудой управления и механическим отклонением исполнительного устройства тогда определяется в блоке устройства возбуждения исполнительного устройства. Для кодирования цифровой информации (0 или 1) специалистам в данной области техники известны многие принципы. Например, могут быть использованы алгоритмы сжатия и/или защиты/безопасности, а также специальные начальные или конечные последовательности.
Фиг. 5 показывает три 8-битовых слова, соединенные в полный 24-битовый сигнал данных. Первые 8 битов предназначены для первого блока 20а, следующие 8 битов предназначены для следующего блока 20b, и последние 8 битов предназначены для конечного блока 20c.
Цифровые данные всех блоков отправляются, таким образом, по линии передачи данных в последовательном режиме. Данные пакетируются главным контроллером 40 и подаются на первый блок 20а в наборе.
Главный контроллер 40 принимает каждое 8-битовое слово для каждого блока и располагает их таким образом, чтобы они были записаны последовательно. Поток цифровых данных начинается с 8 битов первого блока, затем к ним добавляются 8 битов второго блока, и т.д.
Таким образом, в общем, общий битовый поток состоит из 8*n битов для n блоков. 24-битовые слова полного битового потока разделяются, например, периодом «сброса», например, более длительным состоянием (0) низкого уровня или более длительным состоянием (1) высокого уровня или специально определенной последовательностью битов (хотя это может быть обеспечено за счет меньшего числа возможных аналоговых состояний).
Когда весь сигнал данных отправляется по линии передачи данных (т.е. цифровой шине), первый блок 20а считывает первые 8 битов, и уменьшает весь сигнал данных на эти 8 битов посредством их удаления. Он отправляет дальше только оставшийся сигнал (без первых 8 битов). Это показано в виде второй линии на фиг. 5.
Второй блок 20b затем считывает первое 8-битовое слово и затем удаляет 8 битов из сигнала данных, чтобы оставить сигнал, показанный в нижней строке фиг. 5. Наконец, последний блок 20с удаляет оставшиеся 8 битов.
Вся процедура требует, чтобы главный контроллер 40 знал, сколько блоков необходимо адресовать. Если какой-либо блок должен изменить свой уровень срабатывания, то весь сигнал данных (для всех блоков) генерируется и отправляется снова. Если число блоков должно быть изменено, то об этом должно быть сообщено главному контроллеру 40 системы.
Выход последнего блока 20с может быть соединен с главным контроллером 40 и может им считываться для проверки того, все ли данные были приняты правильно. В этом случае, специальная последовательность битов может быть добавлена (главным контроллером) в начальный битовый поток, и/или каждый блок может добавлять последовательность битов в конец полного битового потока.
В своей самой широкой идее, настоящее изобретение обеспечивает параллельное соединение исполнительных блоков с шинами питания для обеспечения работы возбуждаемых высоким напряжением исполнительных устройств и возбуждаемых низким напряжением цифровых управляющих электронных схем. Одно или более рабочих напряжений могут быть поданы извне. Уровень возбуждения исполнительного устройства настраивают согласно цифровой информации, последовательно подаваемой на каждый из блоков.
В примере, приведенном выше, считается, что каждый блок имеет только одно исполнительное устройство. Однако, один блок может также состоять из более чем одного исполнительного устройства, например, из триплета исполнительных устройств (например, для генерирования трехмерного (3D) перемещения/смещения на каждом блоке). В такой конфигурации поток цифровых данных может быть выполнен таким образом, чтобы обеспечивались множественные управляющие слова, например, 3*8 битов (=24 бита) на каждый блок, причем каждое 8-битовое слово предназначено для одного из трех исполнительных устройств, находящихся в блоке.
Пример фиг. 4 основан на последовательной адресации.
Фиг. 6 показывает альтернативу, которая может считаться основанной на квази-последовательной адресации исполнительных блоков.
Снова показаны три исполнительных блока 20a, 20b, 20c на основе электроактивного материала. Каждый из них содержит входной контакт DL1 линии передачи данных, который соединяется с линией Din передачи данных. Однако отсутствует выходной контакт линии передачи данных. Снова имеются соединения 50 линии передачи данных, но они находятся между входными контактами линии передачи данных смежных блоков, так что все блоки прямо соединены с одной и той же линией передачи данных.
В этом примере, контроллер 40 устройства обеспечивает сигнал данных, который содержит набор идентификационных слов и слов данных, расположенных последовательно, причем каждое идентификационное слово связано с соответствующим одним из исполнительных блоков на основе электроактивного материала. Контроллер каждого блока тогда распознает свое собственное связанное идентификационное слово и считывает связанное слово данных. В частности, для различения отдельных блоков, невозможно отправлять только слова данных, относящиеся к состоянию блока. Дополнительно к этому, сигнал данных должен определять, к какому блоке относится фактическая цифровая информация.
Фиг. 7 показывает одну пару из идентификационного слова I(n) и слова D(n) данных.
Это обеспечивает квази-последовательную адресацию, при которой каждый блок имеет свои соединения (Vop и Vref) электропитания, а также только одну параллельную линию Din передачи цифровых данных. Таким образом, термин «квази-последовательный» означает, что хотя линия передачи цифровых данных присоединена параллельно каждому блоку, в каждый момент времени только один набор данных (адрес+данные срабатывания) отправляется по шине.
Форматы данных фиг. 7 подготавливаются для каждого блока и отправляются вместе по шине. В случае 8-битового разрешения адресов, может адресоваться вплоть до 256 блоков. При использовании большего числа битов, также может адресоваться больше блоков. В такой системе, главный контроллер 40 должен иметь всю адресную информацию о всей конфигурации устройства. Если исходная конфигурация изменяется (посредством добавления или удаления блоков), то об этом необходимо сообщить управляющему программному средству.
Все блоки непрерывно прослушивают линию передачи данных. Как только некоторый блок распознает свой собственный адрес, следующая цифровая информация будет интерпретирована как информация о срабатывании для этого конкретного блока. Цифровая информация может отправляться непрерывно и последовательно для всех блоков без какого-либо конкретного порядка, или же в конкретном порядке, чтобы сначала адресовались блоки с высоким приоритетом, или чтобы сначала адресовались ближайшие блоки.
Альтернативный подход состоит в том, что данные могут быть отправлены только для тех блоков (последовательно, одни за другими, с приоритетом или без него, как упомянуто выше), чье состояние должно быть изменено. В этом случае, все блоки могут быть дезактивированы или переведены в их исходное положение перед завершением применения.
Как упомянуто выше, также возможна двунаправленная связь. Система может отправлять и принимать данные по одной линии передачи данных. Например, блок может прослушивать шину, и если данные фактически не отправляются никакими блоками, то могут быть отправлены новые данные, что обеспечивает решение с временным уплотнением. Могут быть реализованы другие принципы связи, такие как решения с частотным или кодовым уплотнением или другие решения.
Вместо установления цифрового выходного контакта последнего блока в режиме холостого хода (или в режиме с нагрузкой), может быть использована кольцеобразная конфигурация, обеспечивающая обратную связь самого последнего цифрового выхода с главным контроллером. Такая обратная связь может быть, например, использована для обеспечения обратной связи по текущему состоянию срабатывания (отклонения) или любой другой измеряемой информации (о давлении, силе, и т.д.).
Одним интересным применением является применение в катетерах или проволочных направителях. В этом применении, имеется очень ограниченное пространство для проводов соединений, а также имеется требование, чтобы множественные провода не оказывали отрицательное влияние на жесткость.
Фиг. 8 показывает набор исполнительных устройств 80 на основе электроактивного материала, образованных вдоль катетера 82. Каждое исполнительное устройство может быть выполнено с возможностью реализовывать функцию локального изгиба для обеспечения управления катетером. Устройство может быть таким же образом обеспечено вдоль или на конце проволочного направителя, такого как проволочный направитель катетера или проволочный направитель для доставки стента. Срабатывание устройства может быть обеспечено, в общем, для создания изгиба, например, для управления, упомянутого выше, а также для сканирования или компенсации движения.
Датчики на основе электроактивного материала могут быть также обеспечены, например, для измерения потока и/или давления. Для считывания давления потока используют зависимость прогиба, создаваемого в устройстве, от давления.
Исполнительное устройство на основе электроактивного материала предпочтительно содержит структуру на основе электроактивного полимера для обеспечения механического срабатывания. Эта структура определяет состояние несрабатывания и по меньшей мере одно состояние срабатывания (отличное от состояния несрабатывания), получаемое посредством подачи электрического возбуждающего сигнала на структуру на основе электроактивного полимера. Исполнительное устройство имеет электродную конструкцию для подачи возбуждающего сигнала на материал на основе EAP. Электродная конструкция может быть прикреплена к материалу на основе EAP прямо или с промежуточными слоями, находящимися между ними.
Слой материала на основе EAP каждого блока может быть расположен между электродами электродной конструкции. Альтернативно, электроды могут находиться на одной и той же стороне материала на основе EAP. В любом случае, электроды могут быть физически прикреплены к материалу на основе EAP либо прямо, без каких-либо (пассивных) слоев между ними, либо непрямо с дополнительными (пассивными) слоями между ними. Однако это имеет место не всегда. Для релаксорных или перманентных пьезоэлектрических или сегнетоэлектрических EAP, прямой контакт не является необходимым. В последнем случае, нахождение электродов вблизи EAP является достаточным, поскольку электроды могут обеспечивать электрическое поле для EAP, и структура на основе электроактивного полимера будет выполнять свою функцию срабатывания. Электроды могут быть растяжимыми, чтобы они следовали за деформацией слоя материала на основе EAM.
Электрический возбуждающий сигнал может быть сигналом напряжения или сигналом тока в зависимости от используемого материала на основе EAP (см. здесь ниже).
Материалы, пригодные для слоя на основе EAP, являются общеизвестными. Электроактивные полимеры включают в себя, но не ограничены этим, подклассы: пьезоэлектрических полимеров, электромеханических полимеров, релаксорных сегнетоэлектрических полимеров, электрострикционных полимеров, диэлектрических эластомеров, жидкокристаллических эластомеров, сопряженных полимеров, ионных полимерно-металлических композиционных материалов, ионных гелей и полимерных гелей.
Подкласс электрострикционных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:
Поливинилиденфторид (Polyvinylidene fluoride - PVDF), поливинилиденфторид - трифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - PVDF-TrFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлорфторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorofluoroethylene - PVDF-TrFE-CFE), поливинилиденфторид - трифторэтилен - хлортрифторэтилен (Polyvinylidene fluoride - trifluoroethylene - chlorotrifluoroethylene - PVDF-TrFE-CTFE), поливинилиденфторид - гексафторпропилен (Polyvinylidene fluoride - hexafluoropropylene - PVDF - HFP), полиуретаны или их смеси.
Подкласс диэлектрических эластомеров включает в себя, но не ограничен этим:
акрилаты, полиуретаны, силоксаны.
Подкласс сопряженных полимеров включает в себя, но не ограничен этим:
полипиррол, поли-3,4-этилендиокситиофен, поли(п-фениленсульфид), полианилины.
Дополнительные пассивные слои могут быть обеспечены для оказания влияния на поведение слоя на основе EAP в ответ на прикладываемое электрическое поле.
Слой на основе EAP может быть расположен между электродами. Электроды могут быть растяжимыми, чтобы они следовали за деформацией слоя материала на основе EAP. Материалы, пригодные для электродов, также являются общеизвестными и могут быть, например, выбраны из группы, состоящей из тонких металлических пленок, таких как золотые, медные, или алюминиевые пленки, или органических проводников, таких как углеродная сажа, углеродные нанотрубки, графен, полианилин (PANI), поли(3,4-этилендиокситиофен) (PEDOT), например, поли(3,4-этилендиокситиофен)-поли(стиролсульфонат) (PEDOT:PSS). Также могут быть использованы металлизированные полиэфирные пленки, такие как металлизированный полиэтилентерефталат (polyethylene terephthalate - PET), например, с использованием алюминиевого покрытия.
Материалы для разных слоев могут выбираться, например, с учетом модулей упругости (модулей Юнга) разных слоев.
Для адаптации электрического или механического поведения устройства могут быть использованы слои, дополнительные к слоям, описанным выше, например, дополнительные полимерные слои.
Устройства на основе EAP могут устройствами с управлением электрическим полем или ионными устройствами. Ионные устройства могут быть основаны на ионных полимерно-металлических композиционных материалах (Ionic Polymer Metal Composites - IPMC) или сопряженных полимерах. Ионный полимерно-металлический композиционный материал (IPMC) является синтетическим композиционным наноматериалом, который демонстрирует поведение искусственной мышцы под действием прикладываемого напряжения или электрического поля.
IPMC содержат ионные полимеры, такие как Nafion или Flemion, чьи поверхности химически металлизированы или физически покрыты проводниками, такими как электроды на основе платины или золота или углерода. Под действием прикладываемого напряжения, миграция и перераспределение ионов вследствие напряжения, прикладываемого к полосе IPMC, приводят к деформации изгиба. Этот полимер является набухающей в растворителе ионообменной полимерной мембраной. Поле вызывает перемещение катионов на сторону катода вместе с водой. Это приводит к реорганизации гидрофильных кластеров и к расширению полимера. Деформация в области катода приводит к механическому напряжению в остальной части полимерной матрицы, которое приводит к изгибу по направлению к аноду. Изменение прикладываемого напряжения на обратное инвертирует изгиб.
Если осажденные гальваническим способом электроды будут расположены в несимметричной конфигурации, то прикладываемое напряжение может вызывать все виды деформаций, такие как кручение, свертывание, закручивание, изгиб и деформация несимметричного изгиба.
Устройство может быть использовано в виде единственного исполнительного устройства, или же может быть обеспечена линия или массив устройств, например, для управления двумерным (2D) или трехмерным (3D) контуром.
Настоящее изобретение может быть использовано во многих применениях EAP, где представляет интерес массив исполнительных устройств.
Во многих применениях главная функция изделия основывается на (локальном) управлении человеческой тканью, или на приведении в движение поверхностей контакта с тканью. В таких применениях исполнительные устройства на основе EAP обеспечивают уникальные преимущества, главным образом, вследствие малого формфактора, гибкости и высокой плотности энергии. Следовательно, EAP могут быть легко интегрированы в мягкие, трехмерные и/или миниатюрные изделия и поверхности контакта. Примерами таких применений являются:
Устройства косметической обработки кожи, такие как устройства возбуждения кожи в форме кожных пластырей на основе EAP, которые обеспечивают постоянное или циклическое растяжение кожи для натяжения кожи или для уменьшения морщин;
Дыхательные устройства с интерфейсной маской пациента, которая имеет активную подкладку или уплотнение на основе EAP, для обеспечения переменного нормального давления на кожу, которое уменьшает или предотвращает красные пятна на лице;
Электробритвы с адаптивной бреющей головкой. Высота контактирующих с кожей поверхностей может настраиваться с использованием исполнительных устройств на основе EAP, чтобы влиять на баланс между близостью и раздражением;
Устройства очистки полости рта, такие как воздушная нить с динамическим исполнительным устройством с соплом, для улучшения досягаемости распыления, особенно в промежутках между зубами. Альтернативно, зубные щетки могут быть снабжены активируемыми нитями;
Устройства потребительской электроники или сенсорные панели, которые обеспечивают локальную тактильную обратную связь посредством массива EAP-преобразователей, который встроен в пользовательский интерфейс или находится вблизи него;
Катетеры с управляемым наконечником для обеспечения возможности легкой навигации в извитых кровеносных сосудах. Функция исполнительного устройства состоит, например, в управлении радиусом изгиба для реализации управления, объясненного выше.
Другая категория релевантных применений, которая получает преимущество от исполнительных устройств на основе EAP, относится к модификации света. Оптические элементы, такие как линзы, отражающие поверхности, решетки, и т.д., могут быть сделаны адаптивными посредством адаптации формы или положения с использованием исполнительных устройств на основе EAP. Здесь преимуществом исполнительных устройств на основе EAP является, например, низкое энергопотребление.
Сигналы данных, используемые в системе, обычно генерируются посредством программного средства, выполняющегося на центральном контроллере (для генерирования данных возбуждения в форме объединенного сигнала данных), и они считываются программным средством, выполняющимся локально в каждом исполнительном устройстве на основе EAP, для извлечения релевантного слова данных и обработки сигнала данных, при необходимости.
Контроллер используется для выполнения программного средства. Контроллер может быть реализован многими способами, программными и/или аппаратными средствами, для выполнения различных требуемых функций. Процессор является одним примером контроллера, который использует один или более микропроцессоров, которые могут быть запрограммированы с использованием программного средства (например, микрокода) для выполнения требуемых функций. Контроллер может быть, однако, реализован с использованием или без использования процессора, а также может быть реализован в виде комбинации специального аппаратного средства для выполнения некоторых функций и процессора (например, одного или более программируемых микропроцессоров и соответствующих схем) для выполнения других функций.
Примеры компонентов контроллера, которые могут быть использованы в различных вариантах осуществления настоящего раскрытия, включают в себя, но не ограничены этим, общепринятые микропроцессоры, специализированные интегральные схемы (application specific integrated circuit - ASIC), и матрицы программируемых логических вентилей (field-programmable gate array - FPGA).
В различных реализациях, процессор или контроллер может быть связан с одним или более носителями данных, такими как энергозависимая и энергонезависимая компьютерная память, такая как RAM, PROM, EPROM, и EEPROM. Носители данных могут кодироваться одной или более программами, которые, при выполнении на одном или более процессорах и/или контроллерах, выполняют требуемые функции. Различные носители данных могут быть закреплены в процессоре или контроллере или могут быть мобильными, таким образом, чтобы упомянутые одна или более программ, хранимых на них, могли загружаться в процессор или контроллер.
Другие изменения раскрытых вариантов осуществления могут быть поняты и осуществлены специалистами в данной области техники при применении на практике заявленного изобретения, на основе изучения чертежей, раскрытия, и прилагаемой формулы изобретения. В формуле изобретения, слово «содержащий» не исключает другие элементы или этапы, а форма единственного числа не исключает множественного числа. Тот факт, что некоторые меры перечислены во взаимно отличающихся зависимых пунктах формулы изобретения, не указывает на то, что комбинация этих мер не может быть использована с преимуществом. Никакие ссылочные позиции не следует толковать как ограничение объема настоящего изобретения.