EAP aktuátorok megvalósításának lehetséges megoldásai DEAP és ionos polimerekkel
Mőszaki tervek és vázlatok
MAJÁK Nonprofit Kft Gyır, 2010
Tartalomjegyzék
Tartalomjegyzék......................................................................................................................... 2 Bevezetés................................................................................................................................ 3 Győrőbe foglalt feszített EAP fólia............................................................................................ 3 Nem elıfeszített EAP konstrukció hasonló funkcióra ........................................................... 5 Rúgóval elıfeszített hengeres emelı (nyomó) aktuátor felépítése......................................... 8 Húzóerı kifejtésre tervezett EAP fóliából készült aktuátorok ............................................. 10 Elıfeszített, egymás ellen dolgozó fóliából álló aktuátorok .................................................... 11 Két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor.............................................................................. 11 Négy EAP fóliasávból álló aktuátor..................................................................................... 12 Aktuátor csuklós szerkezettel............................................................................................... 13 Síkban elhelyezett EAP fóliákból készíthetı aktuátor szerkezetek...................................... 14 A DEAP fóliák térben történı elrendezése úgy, hogy lineáris mozgást állítson elı a fóliák egymást váltó gerjesztése ......................................................................................................... 15 Rétegelt, hajtogatott aktuátor típusok................................................................................... 17 Szelep megoldása DEAP aktuátorral ................................................................................... 19 Hangszóró DEAP anyagokkal.............................................................................................. 19 Az ionos elektroaktív anyagokból elıállítható aktuátor típusok .............................................. 20 Az ionos vezetı polimer – fém kompozitok mőködésének alapjai...................................... 20 Az egyszerő elhajló aktuátor ................................................................................................ 21 Szelep megoldás ionos EAP anyagokkal ............................................................................. 25 Megfogó szerkezet ionos EAP anyag felhasználásával ....................................................... 26 Szárnymozgást utánzó szerkezet .......................................................................................... 27 Érzékelés, szenzor mőködés................................................................................................. 27 Felhasznált források ............................................................................................................. 28
2
Bevezetés Az EAP anyagokból készült aktuátorok sokfélék lehetnek. Bár mindegyikben közös lehet az EAP anyag, azonban a mőszaki megoldásoktól függıen sokféle aktuátort lehet készíteni. Elıször a dielektromos EAP - DEAP anyagokból megvalósítható aktuátorok tárgyalásával foglalkozunk. A lehetséges megvalósítási ötletek olyan gazdag kínálata áll rendelkezésre, hogy a teljességre való törekvés nem lehet a célunk, ezért csak a legfontosabb esetekre térünk ki.
Győrőbe foglalt feszített EAP fólia Nézzük meg egy olyan aktuátor elvi felépítését, amely alkalmas arra, hogy a Braille írás egyik eleme legyen. Az aktuátor elkészítése egyszerő, olyan anyag kell hozzá, amely vékony hártyaként egy győrős rendszerbe van befogva és ott enyhén megfeszítve. Ha a fólia közepén egy de átmérıjő körben két oldalán elektródával ellátott EAP fóliát használunk, akkor a fóliára feszültséget kapcsolva, a fólia vastagsága megváltozik. Az elıfeszítés miatt a középen lévı kör átmérıje dúj értékre változik. Ez az egyik leglátványosabb DEAP aktuátor kísérlet. Az elıfeszített fólia anyaga VHB4905.
Keret
Elektróda
de
dúj
Elıfeszített nem gerjesztett fólia (V=0kV)
Gerjesztett fólia (V=10kV)
A elıfeszített VHB 4095 fóliával készíthetı kör alakú aktuátor 3
Az aktuátor mozgása a kísérlet alatt nagyon jól látható. Abban az esetben, ha a fólia egyik oldaláról valamilyen nyomást alkalmazunk, akkor az a másik oldalon kidudorodik. Ezt a dudort már tapintással érzékelni lehet. A dudor eltüntetése a feszültség lekapcsolásával oldható meg.
Az aktuátor elkészítéséhez célszerő mőanyag elemeket használni, és a feszültséget vezetı elektródákat ebbe az anyagba beépíteni. Ugyanúgy az egyik oldali nyomás ezzel a konstrukcióval viszonylag könnyen megoldható.
4
Nem elıfeszített EAP konstrukció hasonló funkcióra Abban az esetben, amikor többrétegő fóliát alkalmazunk egy győrőbe befoglalva, a rétegelt fólia kitágulása nem történhet meg csak úgy, hogy a rétegelt térfogat kihajlik a síkból és ott érezhetı kidudorodást okoz. A szerkezet felépítése a következı lehet:
EAP anyag elektródákkal
a Keret
Keret
DEAP anyag
d dr
df
A kihajló aktuátor sematikus rajza. 5
Elektródák
Egy megvalósított kihajló aktuátor fényképe A fenti típusú aktuátorokból felépíthetı egy könnyen vezérelhetı Braille írást elıállító (megjelenítı) gép. Nem kell mást tenni, mint a rendszert egy karakterfelismerı program segítségével megtanítani a karakterek braille kódjának elıállítására. Az aktuátorok vezérlése ezután már elektronikusan megoldható.
A kihajló aktuátorokból összeállított Braille cella képe
6
A braille modul vezérlését megoldó elektronikus áramkör fényképe
Hidrosztaikusan mőködtetett dielektromos aktuátor Braille cellához Eredet: Federico Carpi, University of Pisa, Research Centre, E. Piaggio”, Italy
7
Rúgóval elıfeszített hengeres emelı (nyomó) aktuátor felépítése Az egyik legelterjedtebb aktuátor konstrukció a fóliából készült rúgóval elıfeszített hengeres megoldás. A konstrukció lényege a következı: az elektródával bevont EAP fólia feszültség hatására úgy változtat alakot, hogy megnyúlik. Ennek hatására a rúgóerı elmozdítja az aktuátor véglapját, ami erıkifejtéses elmozdulást jelent. Ha a feszültséget lekapcsoljuk, akkor az EAP fólia újra felveszi eredeti alakját. Ez az aktuátor szerkezetet összehúzza eredeti állapotába, így ez a fázis is felhasználható erıkifejtésre is.
A hengeres aktuátort elıfeszítı rúgó és a fóliát tartó hengerek összeszerelése kiengedett és összenyomott formában A fenti konstrukció alkalmas arra, hogy a fólia felhasználásával nyomóerıt kifejtı aktuátort készítsünk. A nyomóerı természetesen nem lehet nagyobb, mint a beépített rúgóerı. A gyakorlatban azonban azt sem lehet elérni, mivel az aktuátort mindig feszített állapotban kell tartani. Az aktuátor összeállításánál két technikai probléma merülhet fel: •
hogyan rögzítsük a fóliát az ıt tartó hengerekhez,
•
az EAP fóliát vezérlı feszültség hozzávezetést is meg kell oldani.
A fólia rögzítése történhet szorító győrővel (nem lehet elektromosan vezetı, hogy nehogy zárlatot okozzon). A nagyfeszültségő vezérlı feszültséget célszerően a fólia szélén, az aktuátor végén odavezetni, vagy az egyik végén, vagy mindkét végén. 8
A hengeres aktuátor összeszerelt állapotban elektródák nélkül
A hengeres EAP fólia aktuátor felhasználási területei számosak. Lássuk az egyik leglátványosabb konstrukciót, a lépegetı hatlábú robot megvalósítását.
FLEX2 lépegetı robot, amely hengeres aktuátorral épült A fényképen látható, hogy az alapaktuátor sokféle szerepben jelenik meg a robotban és az aktuátor könnyő vezérlése azért fontos, hogy a bonyolult robotszerkezetek vezérlését minél jobban meg lehessen oldani. Itt a mikroprocesszoros vezérlés nagy szerepet kaphat.
9
Húzóerı kifejtésre tervezett EAP fóliából készült aktuátorok Az EAP anyagok alapeffektusát kihasználni képes aktuátor szerkezet, a húzóerı kifejtésre alkalmas konstrukció. A konstrukció lényege, hogy az EAP fóliát egy hengerre tekerjük fel, akár többmenetes réteget alkotva. A menetszám attól függ, hogy mekkora erıkifejtésre akarjuk méretezni az aktuátort. A fólia elıfeszítése pl. az emelendı súllyal történik. Erıhatás alatt a fólia megnyúlik. Ez a megnyúlás a feszültséggel aktivált fóliánál még nagyobb lesz. Ha a feszültséget lekapcsoljuk, akkor a fólia összehúzódik, ami húzóerı kifejtését eredményezi.
Húzó (pull) erıkifejtésre szolgáló EAP aktuátor felépítése A szerkezet viszonylag egyszerő, csupán a fólia tekercs felerısítését, illetve a fólián lévı elektródákhoz a feszültség odavezetését kell megoldani.
10
Elıfeszített, egymás ellen dolgozó fóliából álló aktuátorok Az egyszerő összehúzódás - kitágulás mozgásokból, ha két elıfeszített fóliát egymással szemben kapcsolunk és azokat felváltva gerjesztjük, akkor lineáris mozgást is elı tudunk állítani.
Két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor A következı ábrán egy két részre osztott EAP fóliasáv aktuátor sematikus szerkezetét szemléltetjük. A mozgás lényege: az elıfeszített fóliát két részre osztjuk, mindegyik rész külön elektródával van ellátva, így ezek a fólia részek egymástól függetlenül gerjeszthetık. Ha most az egyik fóliarészre kapcsolunk feszültséget, az elıfeszítettség miatt a szerkezet gerjesztett része megnyúlik, enged a nem gerjesztett rész húzóerejének és a középvonala erıkifejtése mellett eltolódik a nem gerjesztett fólia irányába. Ha a következı lépésben a korábban gerjesztett fólia darabról lekapcsoljuk a feszültséget, akkor az aktuátor visszaáll az eredeti állapotba. Ez még fokozható azzal, hogy ez alatt a másik fólia részt gerjesztjük feszültség rákapcsolásával. Ekkor az elmozdulás ereje (és esetleg a sebessége is) nagyobb lesz.
A két irányba mozgó aktuátor elvi felépítése
11
A következı aktuátor konstrukció az elızınél bonyolultabb mozgások elıállítására alkalmas. Valójában kettı aktuátort tartalmaz az elızı típusból összeépítve. Ezért négy külön vezérelhetı elıfeszített EAP szektort tartalmaz. Ezzel a konstrukcióval az EAP anyagok találkozási pontjánál az egyes szektorok gerjesztésétıl függı mozgások is elıállíthatók. Ez a különbözı irányokban történı lineáris elmozdulások mellett lehet változatos görbe szerinti mozgás. Az elektromos gerjesztések odavezetése ebben a konstrukcióban nem okoz különösebben problémát, hiszen a befogó szerkezet sarokpontjainál ez könnyen megoldható.
Négy EAP fóliasávból álló aktuátor Az alábbi aktuátor mintájára három-, öt-,hat- stb. szögő aktuátor is készíthetı. A magasabb szögszámú aktuátorok nem túlságosan célszerőek, ugyanis a mozgatás szabadsági foka nem nı, a konstrukció bonyolultsága pedig a vezérlési feladattal együtt egyre bonyolultabb lesz.
Egy négyszögő EAP fólia sáv aktuátor elvi felépítése.
12
Aktuátor csuklós szerkezettel A következı szerkezet szintén alkalmas EAP fóliából történı aktuátor elıállítására.
Az elmozdulások lehetséges iránya
Csuklós szerkezet
EAP fólia
Csuklók
Egy csuklós parallelogramma alakú aktuátor elvi felépítése A konstrukció elınye az egyszerő felépítés és az egyszerő elemekbıl történı építkezés lehetısége nagyobb erıkifejtésre alkalmas aktuátorok építésénél. Az ábrán látható elrendezés mellett olyan megvalósítás is elképzelhetı, hogy az EAP anyag fólia nem csak csíkban van az aktuátorban, hanem a teljes rombusz területét kitölti. Ekkor a gerjesztés eredményeként szintén az ábrán látható mozgások keletkeznek. Ilyen megvalósított aktuátor látható az alábbi ábrán is. Az aktuátorokat egymás mellé helyezve és összeépítve megsokszorozhatjuk annak erejét.
Csuklós parallelogramma alakú aktuátor darabokban és összeszerelt formában 13
J.-S. Plante and S. Dubowsky Massachusetts Institute of Technology. Csuklós, parallelogramma alakú aktuátor fényképe
Síkban elhelyezett EAP fóliákból készíthetı aktuátor szerkezetek A fenti aktuátorok esetében a mozgató EAP fóliák különbözı síkokban vannak elhelyezve. Egyszerő szerkezet adódik akkor is, ha az egy síkban elıfeszített EAP fóliát a ráhelyezett (felvitt) elektródákkal több szektorra bonjuk és a mozgást (mozgatást) úgy idézzük elı, hogy az egyes szektorokat meghatározott sorrendben gerjesztjük.
Egy excentrikus EAP forgató szerkezet vázlatos felépítése
14
A fenti szerkezettel úgy tudunk forgómozgást elıállítani, ha az EAP anyagok találkozásánál lévı tengelynél egy nagyobb belsı kör alakú fogaskereket helyezünk el és ebben található egy a forgástengelyben elhelyezett tengelyen lévı fogaskerék. A belsı kör alakú fogaskereket az EAP anyag megfelelı gerjesztésével a fogas tengellyel folytonosan érintkezı excentrikus mozgásra kényszerítjük. Az a fogas tengellyel érintkezve az forgásba hozza és forgásban tartja. A forgás sebességét az EAP fóliák megfelelıen vezérelt gerjesztésével szabályozhatjuk.
A DEAP fóliák térben történı elrendezése úgy, hogy lineáris mozgást állítson elı a fóliák egymást váltó gerjesztése A győrőbe foglalt fólia aktuátorok lényeges továbbfejlesztéseként kaphatjuk a következı ábrán látható elrendezést. Az elıfeszített DEAP fóliát két győrőbe befogva olyan aktuátort kapunk, amely gerjesztésre nem tud a fólia síkjában mozogni, mivel az ébredı erık kiegyenlítik egymást. Azonban, ha két körgyőrőt készítünk és a kapott két körgyőrőt kimozdítjuk a síkjából és egymással szemben összekapcsoljuk, a kapott aktuátor szerkezet lineáris mozgás elıállítására is alkalmas lesz. A mozgást úgy tudjuk kiváltani illetve gerjeszteni, hogy a két egymással szemben lévı membránt felváltva gerjesztjük egymással szinkronizálva.
A mozgás iránya
Belsı keret DEAP fólia Külsı keret Az egymással szemben feszített térbeli aktuátor elvi felépítése 15
Az egymással szemben feszített térbeli aktuátor egy megvalósítása
16
Rétegelt, hajtogatott aktuátor típusok Az egyszerő, néhány fóliát tartalmazó aktuátor konstrukciók alkalmazási területei korlátozottak,
mivel
az
elmozdulások
és
a
kifejtett
erık
is
határt
szabnak
alkalmazhatóságuknak. Ezt a hátrányt lehet kiküszöbölni azzal az ötlettel, hogy az aktuátorban ható effektusokat megsokszorozzuk úgy, hogy egy aktuátoron belül sok elmei aktuátort építünk egybe. A hajtogatott DEAP aktuátornál olyan hajtogatási módot kell alkalmazni, hogy az elektródákhoz könnyen kapcsolható legyen a nagyfeszültség (kb. 2000 – 2500 V). Ennek megoldása két oldalán elektródával bevont fólia esetén nem okoz gondot, csak egyes elektróda felületek egymással érintkezve kétszeresen jelennek meg az aktuátorban, így ezeket a hajtogatott aktuátorokat érdemes két, egy oldalon elektródával bevont fóliából hajtogatni.
Egy hajtogatott DEAP aktuátor elvi felépítése és mőködése A rétegelt aktuátoroknál a konstrukció még egyszerőbb. Ott eleve olyan fólia lapok készülhetnek, ahol az elektródák alakja elıre úgy van kialakítva, hogy a feszültség odavezetése könnyen megoldható legyen. A következı kép egy ilyen elrendezést ábrázol.
17
Egy rétegelt aktuátor legetséges szerkezete Külön technológiai problémát jelent az is, hogy a rétegeket hogyan erısítik egymáshoz abból a célból, hogy az aktuátor ne csak nyomó, hanem húzó üzemmódban is mőködni tudjon. Ezt pl. hıkezeléssel oldják meg. Bár meg kell jegyezni, hogy a hıkezelés a rétegekben lévı elıfeszültségek megszüntetéséhez is szükséges.
Megvalósult rétegelt dielektrikus EAP aktuátor munka közben ( Gabor Kovacs, EMPA Dübendorf, Laboratory for Mechanical Systems Engineering, Switzerland
Meg kell jegyezni, hogy a rétegelt megoldással Japánban az Ionos polimer – fém kompozit anyagból a természetes izomnál tízszer nagyobb feszültséget elıállító aktuátort sikerült konstruálni.
18
Szelep megoldása DEAP aktuátorral A DEAP aktuátorok viszonylag kis elmozdulása azt azért lehetıvé teszi, hogy szelepeknél vezérelhetı elemként alkalmazzuk ıket. A következı konstrukció egy lehetséges megvalósítást vázol fel, amikor a DEAP anyaga alkotja magát a kapcsoló szelepet. Erre acélra a viszonylag vastag szelep megvalósítása miatt a rétegelt szerkezet lehet alkalmas. Ha olyan anyagáramlásról van szó, amikor az EAP anyag és az áramló anyag érintkezését el kell kerülni, akkor az aktuátor becsomagolható az áramló anyaggal érintkezésbe lépı anyaggal.
Egy lehetséges szelep konstrukció DEAP aktuátor felhasználásával
Hangszóró DEAP anyagokkal A DEAP anyagok hasznosításának egyik legújabb eredménye az, hogy sikerült belılük hangszórót is készíteni. A megoldás nagyon egyszerő, csak rendelkezni kell a megfelelı gerjesztı feszültséget elıállító elektronikus erısítıvel. Ekkor a DEAP fólia olyan rezgést végez, ami a levegıt megmozgatva élvezhetı hangot bocsát ki.
Az egyszerő hengeres DEAP hangszóró szerkezete
19
Az ionos elektroaktív anyagokból elıállítható aktuátor típusok Az ionos vezetı polimer – fém kompozitok mőködésének alapjai Az ionos vezetıképes polimerek az elkektroaktív polimerek egy másik nagy osztályát képezik. Lényeges különbség a DEAP polimerektıl az, hogy ezek az anyagok nem a nagyfeszültség hatására kialakuló, a Maxwell elektrosztatikus erı okozta deformációval állítják elı az elmozdulást, hanem az elektromos vezetıképességbıl fakadó effektusok hatására alakjukat változtatják, pl. meghajlanak. A deformáció okainak részletes elemzését a következı ábra szemlélteti. .
Az ionos polimer – fém kompozit anyagok deformációja feszültség hatására Az ionos polymer – fém kompozitok felépítése: vékony ionos vezetı membrán, amely hajlékony nemesfém elektródával van bevonva mindkét felületén. A vezetıképes polimerben az anionok és a kationok a polimer anyagához kötıdve egyensúlyban vannak egymással úgy, hogy nincsen töltésmegoszlás a polimeren belül. Ha a membrán felületén elhelyezkedı elektródákra feszültséget kapcsolunk, akkor az anód elektrosztatikus erıt fejt ki a pozitív töltéső kationokra, amelyek ahhoz közelebb vándorolnak, ahogy azt az ábrán szemléletesen ábrázoltuk. Ennek hatására a vékony membrán elhajlik. Ha az elektródákon megcseréljük a feszültséget, akkor a folyamat ellentétes irányban játszódik le – a deformáció is ellenkezı irányú lesz. Az effektust kihasználó aktuátorok nagyon gyors mőködésre képesek, kis 20
feszültséggel aktiválhatók (néhány volt) és nagy deformációkra képesek. A rendszer impedanciája szintén kicsi lesz. Az ionos vezetéső polimerek leírt effektusa az egyik legígéretesebb
arra
nézve,
hogy
a
biomimetic
(természetes
viselkedést
utánzó)
felhasználásokban alkalmazást nyerjenek. A leggyakrabban alkalmazott polimer – fém kompozitok a Nafion és Flemion fémy kompozitok. A továbbiakban csak az elérhetı deformációk felhasználásával elıállítható aktuátorok lehetséges szerkezetével, azok felhasználási területeinek áttekintésével foglalkozunk.
Az egyszerő elhajló aktuátor
A legegyszerőbb ionos vezetı polimer aktuátor vázlata
Az aktuátor mőködését a következı ábra szemlélteti. Ha az ionos fém-polimer kompozit elektródájára feszültséget kapcsolunk, akkor az ionos fém-polimer kompozit csík a feszültség irányától függıen meghajlik.
21
Egy ionos EAP aktuátort mőködtetı és vezérlı elektronika fényképe
A fenti ábrán szemléltetett aktuátor szerkezete nagyon egyszerő, mégis az alkalmazásokban ez az egyik legelterjedtebb aktuátor. Az automatikus beállításokkal ellátott elektronikus fényképezıgépeknél ilyen típusú aktuátorokat alkalmaznak. A következı két ábráról könnyen látható, hogy egy ilyen fényképezıgép automatikája hogyan épül fel, és benne hol kap szerepet egy ionos EAP aktuátor, és milyen elektronikus visszacsatolt vezérlést tartalmaz a rendszer.
22
23
24
Szelep megoldás ionos EAP anyagokkal Az ionos EAP anyagok azon tulajdonsága, hogy alakjukat elhajlással változtatják meg alkalmassá teszi ıket arra, hogy viszonylag egyszerő szelep konstrukciót tudjunk segítségükkel elıállítani. Az alábbi rajzon egy ilyen megoldást vázolunk fel.
Ionos EAP anyaggal készült egyszerő szelep megoldás
25
Megfogó szerkezet ionos EAP anyag felhasználásával Az EAP anyagok egyik nagy reménnyel kecsegtetı felhasználási területe a mesterséges robotok konstruálása. A világ számos helyén folynak kísérletek ilyen fejlesztések megvalósítására. Ezen a területen különösen Japánban folyik intenzív és eredményes munka. Az ábrán látható megfogó csak egy lehetséges megoldás a konstrukció elkészítéséhez. A gyakorlatban számos megoldás született eddig, egyszerőtıl egészen a komplex megoldásokig.
Ionos EAP anyagokból készült megfogó aktuátor egy lehetséges megoldása
26
Szárnymozgást utánzó szerkezet Az ionos EAP anyagok nagyon gyors reagáló képessége arra is felhasználható, hogy az anyag nagyfrekvenciás gerjesztésével annak nagyon gyors mozgásra késztessük. Ez és az anyag nagyon vékony volta teszi lehetıvé, hogy annak felhasználásával mesterséges rovarokat (pl. legyet) utánzó robotokat konstruáljanak, olyanokat, amelyek valóban repülni is tudnak. Az alábbi ábrán látható konstrukcióval könnyen lehet egy ionos EAP fólia darabot szárnymozgáshoz hasonló mozgásra kényszeríteni. Ehhez nem kell más, csak a nafion – fém kompozit fólia darabot nagyfrekvenciás váltakozó 1,5 V-os feszültséggel gerjeszteni.
Érzékelés, szenzor mőködés Ha egy elég érzékeny oszcilloszkópot használunk, akkor megfigyelhetjük azt is, hogy a vezetı polimerekben elhajlás hatására feszültség keletkezik. Ha a vezetı polimer elektródával van ellátva és erre az elektródára csatlakozunk, a csatlakozó vezetéket pedig egy érzékeny oszcilloszkóp bemenetéhez csatlakoztatjuk, akkor az oszcilloszkóp képernyıjén megjelenik a deformáció által generált feszültség jele. Ez a jelenség alkalmas arra is, hogy a vezetı polimerekbıl szenzorokat is készíthessünk.
27
Felhasznált források
28
