沈 奇，劉 淼，韓晨皓，王田苗，梁建宏

(北京航空航天大學(xué) 機器人研究所，北京 100191)

信息科學(xué)與工程

一種基于IPMC的新型發(fā)電裝置的 理論與實驗研究

沈 奇，劉 淼，韓晨皓，王田苗，梁建宏

(北京航空航天大學(xué) 機器人研究所，北京 100191)

IPMC是一種智能材料，可作為柔性驅(qū)動器/傳感器使用。針對目前IPMC智能材料的機械電子特性，即IPMC被動產(chǎn)生一定的物理形變后會在其厚度方向上產(chǎn)生可觀的微小電壓的特性，設(shè)計了一種新型的基于IPMC智能材料的微型發(fā)電裝置。該方法通過懸臂梁受力變形的原理設(shè)計了發(fā)電裝置的結(jié)構(gòu)，同時設(shè)計了一種新型的機械全橋整流法對IPMC產(chǎn)生的電流進(jìn)行處理，通過這種整流法，可以對IPMC輸出的電流進(jìn)行無損耗的采集。最后采用LabVIEW軟件，對所產(chǎn)生的電壓信號進(jìn)行檢測。本設(shè)計具有結(jié)構(gòu)簡單、實現(xiàn)容易、攜帶方便、可隨時隨地發(fā)電等特點。

智能材料；IPMC；機械整流；便攜發(fā)電

電活性聚合物(Electroactive Polymer，EAP)[1-2]是一種高效智能材料，具有特殊的電性能和機械性能。這類材料在電場作用下通過產(chǎn)生形狀或體積的改變，實現(xiàn)電能和機械能之間的轉(zhuǎn)化[3-4]，廣泛應(yīng)用于機械、微機電、光電技術(shù)以及生命科學(xué)等領(lǐng)域[5]。由于電活性材料的獨特性能，使得它們成為當(dāng)今學(xué)術(shù)界的研究熱點[6-7]。

離子交換聚合體金屬合成物(Ion-exchange polymer-metal composites 簡稱IPMC)是一種離子型EAP，它以聚合物薄膜(通常為離子交換膜，如Nafion)為基體骨架，膜內(nèi)浸透有金屬離子，將貴金屬(如Pt)顆粒通過化學(xué)鍍的方式滲透并沉積在聚合物薄膜的上下表面形成金屬電極[8-9]。

在90年代早期，日本與美國的兩個小組分別研究發(fā)現(xiàn)了它的響應(yīng)與傳感性能。這些發(fā)現(xiàn)展示了IPMC具有良好的電—機械特性：當(dāng)給IPMC薄膜施加較小的直流電壓(如1～3 V)，上下表面的金屬鍍層構(gòu)成一對正負(fù)電極，IPMC薄膜向陽極發(fā)生彎曲變形，施加反向電壓時，薄膜又彎向另一側(cè)，其彎曲程度隨著電壓的增加而加劇，直至達(dá)到飽和狀態(tài)，在正負(fù)交變電壓作用下，能產(chǎn)生往復(fù)彎曲振動變形。相反，當(dāng)IPMC受到彎曲變形時，具有電壓效應(yīng)，能輸出電能，如圖1[10]。利用這一結(jié)合了傳感反應(yīng)與執(zhí)行響應(yīng)的換能特性，可以設(shè)計構(gòu)成許多智能結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)多種特殊應(yīng)用[11-16]。

圖1 IPMC工作原理

IPMC具有以下特點：

(1)壽命較長,響應(yīng)速度快；

(2)體積小,質(zhì)量輕；

(3)大范圍運動卻不需要軸承和滑動部件；

(4)低驅(qū)動電壓；

(5)類似于生物肌肉比例恒定的特性(即尺度不變性,同樣的尺寸產(chǎn)生的輸出一樣,而不同的尺寸產(chǎn)生的輸出與其尺寸成比例),適用于微型裝置；

(6)無噪聲,環(huán)保；

(7)可以微型化發(fā)展。

本文提出了一種利用懸臂梁在端部施加一定外力產(chǎn)生變形的簡單原理,配合IPMC特殊材料的設(shè)計思路,設(shè)計了一種可以安裝于鞋底的便攜式發(fā)電裝置。走動過程中，腳部作用于彈簧使發(fā)電裝置受鞋底和地面的擠壓，IPMC懸臂梁一段受力彎曲時,IPMC會產(chǎn)生一個電信號；當(dāng)腳部抬起時，彈簧反向彈起并超過平衡位置，這樣會同時產(chǎn)生一個電信號；當(dāng)行動過程中不斷地使IPMC正向反向彎曲時,就會產(chǎn)生一系列的周期性的交流信號。通過一個特殊的機械式全橋簧片整流電路將其轉(zhuǎn)化為直流電并儲存在儲能裝置中。

1 IPMC懸臂梁的受力分析

1.1 懸臂梁的受力及位移關(guān)系

根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)集中載荷作用在懸臂梁的一端時,懸臂將會產(chǎn)生一定撓度的彎曲,而撓度的大小則直接取決于作用的集中載荷的大小,如圖2。

圖2 懸臂梁受力形變圖

撓曲度方程為：

(1)

在式(1)中ω為撓度(m),F為作用的集中力(N),x為集中載荷F作用點距離固定端點A的距離(m),E為彈性模量,I為極慣性矩,l為梁的長度。在整個實驗中,默認(rèn)IPMC梁在厚度和寬度方向質(zhì)量均勻分配。因此就可以得到最大彎曲撓度式,即當(dāng)集中載荷作用在端部時，撓度可以由下式得到：

(2)

1.2 懸臂梁功能的實現(xiàn)即力與位移的轉(zhuǎn)換

在如下Solidworks建模的圖3中,可以清楚看到一個IPMC懸臂梁。其左端被固定在透明殼中,右端被上下兩個夾子夾緊。在行走過程中,圖示右端的壓鈕在腳底與地面接觸時會向下壓動IPMC懸臂梁的右端,產(chǎn)生一個集中載荷,使其變形,完成力與位移的轉(zhuǎn)化，抬腳時彈簧彈起超過平衡位置，產(chǎn)生反向的形變并輸出電信號。

圖3 Solidworks中對IPMC懸臂梁的建模

2 交流型號的獲取和整流以及能量的轉(zhuǎn)化

2.1 物理結(jié)構(gòu)的設(shè)計

以IPMC材料的特性為依據(jù)，設(shè)計出了前文描述的滿足運動時IPMC物理形變要求的裝置結(jié)構(gòu)，本節(jié)內(nèi)容將闡述本發(fā)電裝置中采集并存儲IPMC形變時產(chǎn)生的電信號的結(jié)構(gòu)。隨著對智能材料的深入了解，越來越多的研究者掌握了多數(shù)智能材料的特性。近些年的研究表明，在利用智能材料產(chǎn)生能量的過程中，最大的困難就是低觸發(fā)電壓的情況對產(chǎn)生的電荷進(jìn)行采集并轉(zhuǎn)化為可以應(yīng)用的能量。由于IPMC發(fā)生的形變量較小，產(chǎn)生的電壓較小，這也就意味著常用于將周期電壓轉(zhuǎn)化為直流信號的半導(dǎo)體整流電路對于本發(fā)電裝置的電信號轉(zhuǎn)化是不適用的。鑒于這種情況，本文提出了一種新型的基于機械原理的全橋整流電路，其基本原理是通過永磁體與干簧管之間的配合,達(dá)到類似二極管組成整流電路。

具體的實現(xiàn)方法如圖4的建模仿真圖。

當(dāng)行走過程中腳底與地面接觸時,會將壓鈕按下,于是壓鈕上嵌入的4個干簧管將靠近下端的永磁體,產(chǎn)生相應(yīng)的動作,并啟動整流電路。

2.2 電信號采集電路的設(shè)計

因為放棄了使用半導(dǎo)體二極管設(shè)計整流電路,為了保持單通的特性,設(shè)計使用了兩個常開干簧管和兩個常閉的干簧管,分別嵌入在上圖中壓鈕的兩個槽內(nèi)。全橋整流電路圖按圖5連接。圖5中的1端連接在IPMC板的上表面,2端連接在IPMC的下表面。工作時，當(dāng)壓扭在IPMC端部施加壓力并產(chǎn)生厚度方向電壓時,電流從1通過接通的開關(guān)SW1流過電容C從閉合的開關(guān)SW4流出產(chǎn)生閉合回路。當(dāng)抬腳時,由于小盒自身的重力會使兩個壓片相對向上施加集中載荷，產(chǎn)生反向電壓,電流從左下的位置2通過開關(guān)SW3流入,與踩下時同向的向電容C充電之后流過開關(guān)SW1形成閉合回路，實現(xiàn)電荷的收集。當(dāng)彈簧從最大壓縮位回復(fù)至平衡位置的過程中，干簧管斷開，采集的電荷不會回流。

圖4 機械全橋整流的結(jié)構(gòu)實現(xiàn)

圖5 機械法實現(xiàn)全橋整流的電路圖

2.3 位移與電能之間的轉(zhuǎn)化

根據(jù)前人的工作[17-18]，對于三層結(jié)構(gòu)的雙壓電晶片懸臂梁，當(dāng)其一端固定,另一端產(chǎn)生一個位移時,其末端位移S和阻滯力Fb1可以用下式表示：

(3)

(4)

式(3)中,S為末端位移,即為前一節(jié)提到的撓度ωB,L為懸臂梁的長度,H為IPMC的厚度,a和b分別為三層結(jié)構(gòu)的中間塑性層和外層的楊氏模量比和厚度比，E3為電場強度，且E3=V/H,V即為產(chǎn)生的電壓。d31是機電耦合系數(shù),因為是個常數(shù),所以可以通過測量已知的電壓和位移來確定。對本文所介紹的IPMC，由于不存在塑性中間層，因此楊氏模量比和厚度比都為0，即a=b=0。進(jìn)而可以得到在厚度方向上產(chǎn)生的電壓與位移的定量關(guān)系：

(5)

通過對式(5)進(jìn)行變換，可以得到機電耦合系數(shù)：

(6)

由此建立了位移與產(chǎn)生電壓之間的定量關(guān)系。隨著不斷的行走,將產(chǎn)生連續(xù)的周期性電壓信號,在整流電路的作用下,將不斷產(chǎn)生電能并儲存。根據(jù)上述推論,可以得到力與電壓之間的關(guān)系式：

(7)

3 IPMC特殊發(fā)電鞋實驗測試驗證

3.1 實驗的設(shè)計

在進(jìn)行了初步的理論分析之后,后續(xù)的實驗方案按照如下的步驟進(jìn)行，以驗證理論的可行性：IPMC懸臂梁整體置于盛滿去離子水的密閉容器中，兩端都通過夾具固定，其中一端收到外界的激勵并產(chǎn)生響應(yīng)，同時該端夾具裝有電極以采集IPMC形變時產(chǎn)生的電信號并通過前文描述的全橋整流電路得到直流信號，最終輸入LabVIEW以進(jìn)行定量分析,具體的實驗方案按照圖6進(jìn)行。

圖6 測試系統(tǒng)總體框圖

3.2 實體結(jié)構(gòu)

為了對本裝置輸出的電信號進(jìn)行定量分析，實驗選取了相對容易進(jìn)行結(jié)構(gòu)修改的木屐作為實驗用具；實驗初步將木屐后端的橫木通過鉗工加工去除材料的一部分,之后將設(shè)計的發(fā)電裝置嵌入在其中,并拉出引線,以測量相應(yīng)的電信號，具體的實物圖如圖7所示。

3.3 實驗驗證

本實驗中，發(fā)電鞋通過腳部踩踏引起IPMC發(fā)生形變，產(chǎn)生電信號。發(fā)電鞋由此可以充分利用在日常行走中產(chǎn)生的機械能。上述發(fā)電裝置引出的兩條線直接接入LabVIEW的采集卡中,打開LabVIEW進(jìn)行模擬的數(shù)據(jù)采集,如圖8所示。從圖8中可以觀察到剛開始處于較低位置的電信號是由于IPMC沒有受到集中載荷的作用導(dǎo)致在厚度方向上并沒有產(chǎn)生電壓。

當(dāng)開始在地面上行走時,在反復(fù)踩踏過程中，腳部通過小盒上的壓鈕不斷地對IPMC懸臂梁施加向下的載荷,同時在抬腳的同時,夾具對IPMC施加反向的載荷,在整流電路的作用下呈現(xiàn)出連續(xù)的同方向(V > 0)的信號。圖8中可以觀察到所有波峰的峰值幾乎相等,這是因為在下踩的過程中,當(dāng)腳底與地面完全接觸時,達(dá)到的IPMC形變的最大值是一定的。相反,每一個波谷并不一樣是因為在抬腳的時候,由于小盒的重力帶動固定裝置使IPMC反向彎曲的力度不是固定的,所以會參差不齊。還可以觀察到圖中電信號采集的曲線斜率很大，這是由于踩踏過程相對短暫，IPMC懸臂梁的撓度瞬間達(dá)到峰值，所以測量的電信號也會在短時間內(nèi)達(dá)到最大值。由前文可知IPMC懸臂梁的形變量和電壓有著定量關(guān)系可解釋上述現(xiàn)象?？偟膩碚f,信號產(chǎn)生,整流和獲取都取得了很明顯的效果。

圖7 發(fā)電鞋實體結(jié)構(gòu)圖

圖8 LabVIEW 中的模擬信號采集

4 結(jié)論

(1)本文充分利用了IPMC機電特性——在一定的機械形變下會產(chǎn)生厚度方向的電壓,設(shè)計了一種便攜式發(fā)電裝置。

(2)本文中利用了一種代替半導(dǎo)體二極管的機械式全橋整流并且獲得了十分理想的效果。

(3)本文中所提出的便攜式發(fā)電裝置的可行性已經(jīng)通過LabVIEW驗證，但是并沒有添加對儲能元件的定量分析。

(4)在后續(xù)的研究中，會對儲能方式進(jìn)行進(jìn)一步的分析，以提高本裝置的實用性。

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(責(zé)任編輯：吳萍 英文審校：宋曉英)

Theoretical and experimental study of a novel power generating device based on IPMC

SHEN Qi，LIU Miao，HAN Chen-hao，WANG Tian-miao，LIANG Jian-hong

(Robotic Institute,Beihang University,Beijing 100191,China)

IPMC is a kind of smart material promising for soft actuator/sensor.It has the mechano-electrical transaction properties.When subjected to deformation,IPMC can generate detective electrical signal.An innovative IPMC-based micro powergenerating device was developed by applying the cantilever deformation theory.A novel mechanical full bridge rectifier circuit was proposed to harvest the electrical signal generated by IPMC without any loss.The electrical signal generated in the experimental results was analyzed and processed by the LabVIEW.This design has a variety of advantages,such as simple structure,easy implement,convenience to carry and complete flexibility for time and spot.

smart material;Ion-exchange polymer-mental composite;mechanical rectifier;portable power generation

2015-01-05

國家自然科學(xué)基金(項目編號：61333016)

沈奇(1987-)，男，浙江紹興人，博士研究生，主要研究方向：智能材料及其在仿生機器人上應(yīng)用研究，E-mail:eric_shen1987@163.com；王田苗(1960-)，男，湖北武漢人，教授，主要研究方向：醫(yī)用機器人研究、微小型機器人研究和嵌入式機電控制理論與方法，E-mail:wtm_itm@263.net。

2095-1248(2015)03-0042-05

TP24

A

10.3969/j.issn.2095-1248.2015.03.008