專利名稱：一種電致動(dòng)人工肌肉作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的小流量泵的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種醫(yī)學(xué)用途流體輸送裝置，尤其涉及一種利用電致動(dòng)人工肌肉的電致彎曲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流體泵送功能的小流量泵。
背景技術(shù)：
醫(yī)用流體輸送裝置是一類重要醫(yī)療器具，在醫(yī)學(xué)操作和手術(shù)中發(fā)揮極為重要的作用，例如，在腹腔鏡檢查和內(nèi)窺鏡檢查中，就需采用流體泵向患處輸送藥物，在血液透析或心臟手術(shù)中，也需利用泵向血透機(jī)或人工心肺機(jī)輸送血液。目前，絕大多數(shù)醫(yī)用泵都采用正排量泵和離心泵。通常，正排量泵是利用齒輪、螺旋、滾柱等部件將流體從吸入端吸入泵腔，再將流體輸致排出端，具有流量穩(wěn)定，抽吸力強(qiáng)，壓頭穩(wěn)定和結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)。而離心泵則通過(guò)泵軸帶動(dòng)葉輪旋轉(zhuǎn)，驅(qū)使使流體在離心力作用下葉片流道甩向葉輪出口，再經(jīng)蝸殼收集后送入排出管，它具有空間占用小、噪聲小、成本低且無(wú)脈動(dòng)現(xiàn)象，但是離心泵的抽吸力較低、水頭小且摩擦損失較大。正排量泵和離子泵具有齒輪泵、蠕動(dòng)泵、活塞泵、徑向葉輪泵、軸流泵等多種型式?，F(xiàn)有的正排量泵和離心泵技術(shù)正日臻成熟，它們?cè)谏a(chǎn)、生活等各領(lǐng)域中發(fā)揮著極為重要的作用。但是，盡管如此，這些泵也存在一些不足，比如，在它們的泵腔內(nèi)通常需設(shè)置了一個(gè)較大轉(zhuǎn)子系統(tǒng)，從而使泵的結(jié)構(gòu)變得非常復(fù)雜。特別是，轉(zhuǎn)子系統(tǒng)通常還與流體直接接觸(如葉輪泵、齒輪泵)，這就大大增加了流體受污染的可能性，并制約了其在醫(yī)學(xué)領(lǐng)域的應(yīng)用。在這種條件下，不斷推出全新的泵送技術(shù)與裝置來(lái)解決此問(wèn)題并豐富流體泵的型式，就變得非常有必要。眾所周知，電致動(dòng)聚合物(EAP)又稱電致動(dòng)人工肌肉，是一類在外電場(chǎng)誘導(dǎo)下，能通過(guò)改變其內(nèi)部結(jié)構(gòu)而產(chǎn)生彎曲、伸縮、束緊或扭變等多種機(jī)械行為的高分子聚合物，其電致量大、響應(yīng)快、機(jī)電耦合效率高。在各種EAP中，最具代表性的是金屬與離子型聚合物的合成物(IPMC)，這種EAP的電致動(dòng)應(yīng)變效應(yīng)是建立在其內(nèi)部帶電水合陽(yáng)離子擴(kuò)散運(yùn)動(dòng)的基礎(chǔ)上，它在較低電壓(小于10V)作用時(shí)，可產(chǎn)生明顯彎曲。利用IPMC的這種電致彎曲效應(yīng)， 可實(shí)現(xiàn)許多機(jī)電功能，本發(fā)明所推出的泵送裝置正是基于IPMC人工肌肉。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提供一種電致動(dòng)人工肌肉作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的小流量泵，它利用人工肌肉作動(dòng)器的電致彎曲應(yīng)變效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流體泵送，該裝置具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、性能穩(wěn)定、泵送效率高、可實(shí)現(xiàn)流體精密控制等優(yōu)點(diǎn)。本發(fā)明是這樣實(shí)現(xiàn)的，它包括泵腔、人工肌肉作動(dòng)器、入口單向閥、出口單向閥、滑移組件、上蓋板，底板、前蓋板、后蓋板、左蓋板、右蓋板、驅(qū)動(dòng)控制器和集流器。其特征在于 泵腔的左端連接左蓋板，泵腔的右端連接滑動(dòng)組件，人工肌肉作動(dòng)器連接泵腔，入口單向閥連接左蓋板，出口單向閥連接右蓋板，上蓋板連接左蓋板、左蓋板連接底板，前蓋板連接底板、后蓋板連接底板，右蓋板連接底板，驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)導(dǎo)線連接人工肌肉作動(dòng)器，集流器連接在泵的出口處，它通過(guò)在人工肌肉上通入低頻交變電壓信號(hào)，激勵(lì)I(lǐng)PMC電致動(dòng)人工肌肉產(chǎn)生彎曲振動(dòng)并帶動(dòng)泵腔膜產(chǎn)生機(jī)械變形，從而改變泵腔的容積并實(shí)現(xiàn)流體的抽吸和泵送。本發(fā)明的技術(shù)效果是1泵的運(yùn)轉(zhuǎn)所需的電-機(jī)能量轉(zhuǎn)換通過(guò)人工肌肉來(lái)完成，因此，無(wú)需為泵配置電動(dòng)機(jī)或內(nèi)燃機(jī)等原動(dòng)機(jī)；2泵通過(guò)人工肌肉作動(dòng)器對(duì)彈性泵腔膜進(jìn)行操作來(lái)改變泵腔體積，這樣可省卻傳統(tǒng)的機(jī)械泵所需的復(fù)雜機(jī)械傳動(dòng)和執(zhí)行機(jī)構(gòu)，大大地簡(jiǎn)化泵的結(jié)構(gòu)；3由于泵的運(yùn)動(dòng)執(zhí)行件(人工肌肉)不與流體進(jìn)行接觸，因此這種泵能避免執(zhí)行件對(duì)流體的污染問(wèn)題；4由于IPMC人工肌肉的驅(qū)動(dòng)電壓比較低，因此該泵可實(shí)現(xiàn)低電壓驅(qū)動(dòng)；5由于調(diào)節(jié)施加在IPMC上的激勵(lì)電壓的幅值，就能改變泵腔的變化幅度，并且改變?nèi)斯ぜ∪獾尿?qū)動(dòng)頻率便可改變泵送速度，這就使該泵具有精密流量控制特性。


圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的A-A剖面示意圖。圖3為本發(fā)明結(jié)構(gòu)的B-B剖面示意圖。圖4為本發(fā)明的泵吸原理。圖5為本發(fā)明的泵排原理。在圖中1、泵腔 2、人工肌肉作動(dòng)器 3、入口單向閥 4、出口單向閥 5、 滑移組件 6、上蓋板 7、底板 8、前蓋板 9、后蓋板 10、左蓋板 11、右蓋板 12、驅(qū)動(dòng)控制器 13、集流器 14、彈性膜 21、人工肌肉作動(dòng)器組件 22、人工肌肉作動(dòng)器組件 23、人工肌肉作動(dòng)器組件 24、人工肌肉作動(dòng)器組件25、人工肌肉作動(dòng)器組件沈、人工肌肉作動(dòng)器組件。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖，詳細(xì)說(shuō)明本發(fā)明利用IPMC人工肌肉的電致動(dòng)彎曲效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)流體泵送的方法及該相應(yīng)的流體泵的實(shí)施方式。如圖1、圖2、圖3、圖4、圖5所示，本發(fā)明主要由泵腔1、人工肌肉作動(dòng)器2、入口單向閥3、出口單向閥4、滑移組件5、上蓋板6，底板7、前蓋板8、后蓋板9、左蓋板10、右蓋板 11、驅(qū)動(dòng)控制器12、集流器13和彈性膜組成。泵腔1由兩片厚度較薄的彈性膜14拼合而成。在泵開(kāi)始工作之前，泵腔1的大致呈橢圓柱結(jié)構(gòu)，當(dāng)泵運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，泵腔1的形狀與容積發(fā)生周期性變化。本發(fā)明提供了泵腔結(jié)構(gòu)一種參考形狀。可以根據(jù)應(yīng)用的需要，完全可以將泵腔設(shè)計(jì)成其它形狀如圓柱狀、矩框狀。若泵腔形狀改變，泵腔上人工肌肉作動(dòng)器的配置方式也應(yīng)隨之發(fā)生相應(yīng)的改變。當(dāng)該泵工作時(shí)，需在粘貼于泵腔上的IPMC人工肌肉作動(dòng)器上施加等幅、同頻的交流電壓激勵(lì)信號(hào)，以激發(fā)人工肌肉作動(dòng)器產(chǎn)生彎曲應(yīng)變振動(dòng)。本發(fā)明正是通過(guò)是該振動(dòng)來(lái)操控泵腔的收縮或擴(kuò)張，從而改變泵腔的容積以達(dá)到泵送流體的目的。在本發(fā)明所推出的泵的結(jié)構(gòu)中，將泵腔封裝在由上蓋板6，底板7、前蓋板8、后蓋板9、左蓋板10、右蓋板11組成的封閉結(jié)構(gòu)中，這主要是考慮到泵腔1是由柔性膜拼合而成，膜的厚度較小，因此需一個(gè)硬外殼對(duì)其進(jìn)行保護(hù)。為使泵腔產(chǎn)生收縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)所需的足夠動(dòng)力，在泵腔上配置有一定數(shù)量的IPMC 人工肌肉作動(dòng)器2。理論上，所配置作動(dòng)器數(shù)量越多，泵的動(dòng)力越大。并且，為了增大泵的抽吸能力，應(yīng)盡可能配置大厚度人工肌肉作動(dòng)器或IPMC人工肌肉作動(dòng)器疊層。為使泵腔產(chǎn)生其工作所需收縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，必須按附圖4所示方式配置人工肌肉作動(dòng)器的夾持位置，即對(duì)于人工肌肉組件21和人工肌肉組件對(duì)，應(yīng)分別夾持其左端，對(duì)于人工肌肉組件23和人工肌肉組件沈，應(yīng)分別夾持其右端。針對(duì)人工肌肉組件22和人工肌肉組件M，則需夾持或固化其中間部位。為了避免泵腔柔性膜和人工肌肉作動(dòng)器因粘膠固化而失去柔性問(wèn)題，為了防止人工肌肉電致動(dòng)效應(yīng)衰退，需用軟性膠將人工肌肉作動(dòng)器2粘貼在泵腔膜的表面上。附圖4給出了本發(fā)明基于IPMC人工肌肉的泵的“泵吸”原理。從圖中可見(jiàn)，當(dāng)泵要從蓄流槽中吸入流體時(shí)，入口單向閥3的閥芯需向右移而將泵的進(jìn)流口打開(kāi)，同時(shí)，出口低壓?jiǎn)蜗蜷y4的閥芯也應(yīng)右移而將泵的出流口封堵；然后，驅(qū)動(dòng)控制器12向人工肌肉組件 21，人工肌肉組件23和人工肌肉組件25通入正向電壓，同時(shí)向人工肌肉組件22，人工肌肉組件M和人工肌肉組件沈通入反向電壓。兩向極性電壓激勵(lì)各人工肌肉作動(dòng)器產(chǎn)生附圖 4所示彎曲變形，驅(qū)使兩泵腔膜向外擴(kuò)張，造成泵腔容積增大而在泵腔內(nèi)形成一定的真空。 該泵就是利用該真空度將流體吸入泵腔。附圖5給出了本發(fā)明的泵的“泵排”原理。圖中可見(jiàn)，當(dāng)要將泵腔內(nèi)的流體向出流口排出時(shí)，泵的入口單向閥3的閥芯左移而將其進(jìn)流口關(guān)閉，出口單向閥4的閥芯也左移而將泵的出流口打開(kāi)；與此同時(shí)，驅(qū)動(dòng)控制器12向人工肌肉組件21，人工肌肉組件23和人工肌肉組件25通入反向電壓，并向人工肌肉組件22，人工肌肉組件M和人工肌肉組件沈通入正向電壓。兩向極性電壓激勵(lì)各人工肌肉作動(dòng)器產(chǎn)生附圖2所示彎曲變形，驅(qū)使兩泵腔彈性膜向內(nèi)回縮，造成泵腔的容積變小，從而在泵腔內(nèi)形成一定的流體壓力。該泵就是利用該壓力迫使流體從泵的出流口向外排放。泵腔每完成一個(gè)“泵吸”和“泵排”的動(dòng)作，便實(shí)現(xiàn)了流體的一個(gè)泵送循環(huán)。本發(fā)明就是通過(guò)不斷地重復(fù)上述泵送循環(huán)，來(lái)實(shí)現(xiàn)流體的連續(xù)泵送。如附圖4所示，為了減小泵腔收縮和擴(kuò)張時(shí)的機(jī)械阻阻滯，本發(fā)明將泵腔的左端固定，而將其右端配置為自由移動(dòng)端。當(dāng)泵腔收縮和擴(kuò)張時(shí)，泵腔移動(dòng)端相應(yīng)地做往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)。入口單向閥3和出口單向閥4閥芯既可采用彈簧操控方式，也可采用電磁操控式。如為彈簧操控式，則宜采用微力彈簧，以利于閥的啟、閉。如采用電磁操控式，則閥的操控頻率必須與人工肌肉激勵(lì)電壓同頻，并且作用在入口單向閥3上的操控信號(hào)必須與人工肌肉組件21上的激勵(lì)信號(hào)同相，作用在出口單向閥4上的操控信號(hào)必須與人工肌肉組件21 上激勵(lì)信號(hào)反相。最好采用電磁操控式。為了保證泵的泵送能力并延長(zhǎng)泵的壽命，泵腔膜11 必須具備較高彈性和足夠的強(qiáng)度，為此，應(yīng)采用橡膠膜材料制成泵腔，并且膜的厚度宜控制在0. 2^0. 3 mm。驅(qū)動(dòng)控制器12的作用在于向IPMC人工肌肉作動(dòng)器2提供激勵(lì)電壓和控制信號(hào)。 為了提高人工肌肉作動(dòng)器2的機(jī)電耦合效率，驅(qū)動(dòng)控制器12最好能向人工肌肉作動(dòng)器2提供雙極性方波激勵(lì)信號(hào)，該信號(hào)的幅值宜在廣IOV范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào)，頻率應(yīng)在0. Γ ΟΗζ內(nèi)連續(xù)可調(diào)。 本發(fā)明通過(guò)泵腔的大幅機(jī)械收縮和擴(kuò)張實(shí)現(xiàn)流體泵送，將導(dǎo)致泵的出口處流量出現(xiàn)一定程度的脈動(dòng)。為解決此問(wèn)題，在泵的出流口處設(shè)置了集流器13。當(dāng)在某個(gè)泵送循環(huán)中，若泵出的流量偏大，則多余的流體自動(dòng)將流入集流器3 ；而若泵腔輸出流量偏小，則集流器13將流出一定的流體以補(bǔ)償流量的不足，這樣可達(dá)到穩(wěn)定流量的目的。
權(quán)利要求
1. 一種電致動(dòng)人工肌肉作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的小流量泵，由柔性泵腔、人工肌肉作動(dòng)器、入口單向閥、出口單向閥、滑移組件、上蓋板，底板、前蓋板、后蓋板、左蓋板、右蓋板、驅(qū)動(dòng)控制器部件組成，其特征在于柔性泵腔的左端連接左蓋板，柔性泵腔的右端連接滑動(dòng)組件，人工肌肉作動(dòng)器連接柔性泵腔，入流單向閥連接左蓋板，出口單向閥連接右蓋板，上蓋板連接左蓋板、左蓋板連接底板，前蓋板連接底板、后蓋板連接底板，右蓋板連接底板，驅(qū)動(dòng)控制器通過(guò)導(dǎo)線連接人工肌肉作動(dòng)器，集流器連接泵的出口處。
全文摘要
一種電致動(dòng)人工肌肉作動(dòng)器驅(qū)動(dòng)的小流量泵，由柔性泵腔、人工肌肉作動(dòng)器、入口單向閥、出口單向閥、滑動(dòng)組件、蓋板組件、驅(qū)動(dòng)控制器等組成，其特征是泵腔左端固定、右端連接滑動(dòng)組件，人工肌肉作動(dòng)器連接泵腔，入口單向閥連接左蓋板，出流單向閥連接右端蓋，柔性泵腔封裝在由蓋板組件制成的硬質(zhì)外殼內(nèi)。泵運(yùn)行時(shí)，它利用IPMC人工肌肉的電致動(dòng)彎曲效應(yīng)操縱柔性泵腔做周期性收縮和擴(kuò)張運(yùn)動(dòng)，以改變泵腔容積并實(shí)現(xiàn)流體泵送。本發(fā)明的技術(shù)效果是(1)實(shí)現(xiàn)了泵驅(qū)動(dòng)的去原動(dòng)機(jī)化；(2)它拋棄傳統(tǒng)泵所需的復(fù)雜執(zhí)行機(jī)構(gòu)，簡(jiǎn)化了泵的結(jié)構(gòu)；(3)泵的執(zhí)行件不與流體接觸，避免了執(zhí)行件對(duì)流體的污染；(4)該泵可低電壓驅(qū)動(dòng)且可用于精密流量控制。
文檔編號(hào)F04B49/06GK102338068SQ20111031264
公開(kāi)日2012年2月1日 申請(qǐng)日期2011年10月16日 優(yōu)先權(quán)日2011年10月16日
發(fā)明者占曉煌, 賀紅林 申請(qǐng)人:南昌航空大學(xué)