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  • 【SRT】能量密集型机器人的电解液血管系统

    发布时间:2020年03月23日

    本文将一个能量密集的循环系统嵌入到水下的软体机器人中,利用氧化还原液流电池,将液压传动、驱动和储能功能通过血管系统形成一个单一的整合设计,使机器人的能量密度呈几何倍数的增长,增强了机器人的续航能力。循环系统的材料和制造技术使机器人的结构可以随其运动产生连续的变形。采用液压流体的电化学储能方式,有助于在未来的机器人设计中提高能量密度、自主性、效率和多功能性。


    与生物不同,机器人通常由各种分开的系统组成,如供能,运动,传感和控制系统,每个系统有其特定的任务。通过仿生学的设计,机器人与生物在移动能力,适应能力和效率方面的越来越相似。


    对于机器人的长时间续航能力的要求,需要新的能量储存方式。氧化还原液流电池(RFB)可以满足这种需求。这里提出一种运用RFB,可以将包括储能、液压传动和驱动部分在内的全系统的能量密度以几何倍数增加。


    本文利用无电缆仿狮子鱼的软体机器人来阐释这种原理,这种概念也可以运用至其他机器。


    仿生狮子鱼结构与流动电池原理:

    在鱼鳍内部装有电池的阴极和阳极,阳极为固态锌,阴极为碳纤维毡复合材料,两电极中间为阳离子交换膜。管道内与泵内的液体为三碘化物电解液。


    Zn失去电子变为锌离子穿过交换膜与碘离子结合,失去的电子为鱼上的电子器件供电。


    电解液与电池的阴阳极反应,同时也通过液压泵推动作动器。



    鱼鳍的驱动:

    通过泵将电解液压入鱼鳍,由于内腔一侧膨胀,另一侧收缩导致尾鳍摆动。


    同时电解液还会与电极反应,产生电流。


    腹鳍通过作动器的膨胀与收缩进行摆动


    电池特性:

    电池弯曲刚度K=EI,用相同材料制造出矩形电极,测量出F,利用欧拉公式,进而得到弯曲刚度K。


    电池的弯曲刚度K = 7.17 N cm2,鱼的硅胶外壳弯曲刚度K =1.13 N cm2。


    电池中液体与固体比


    电池的能量密度增加325%.

    通过对电池进行100h的连续充电和放电,阴极容量在10个周期后逐渐减小,这是由于脱水和阴极被硅胶的吸收。通过采用更好的封装技术来解决,电池可以运行超过1000个周期。通过数据分析,鱼鳍电池理论上可以达到36.7h的续航能力。


    控制系统:

    电池产生的电提供给泵,增压转换器(将电池电压提升至12V,再将12V电压输入到蓝牙微控器),蓝牙微控制器。


    机器鱼的游速为1.56body/min.


    在实验表明,能量密集的液体可以在软体机器人内部循环,既可以驱动作动器运动,也可以为机器人身上的电子元件供电,同时使整个系统的能量密度大幅提升。


    在机器人中的半流体电池具有一定的弹性,类似于鱼身上的肌肉或软骨。


    液流电池系统相当于血液循环系统,可以储存和转化能量。


    鱼鳍作动器的力和频率受泵的转换的限制。


    文章出版期刊:NATURE , IF:45.819

    作者:Cameron A. Aubin,Snehashis Choudhury,Rhiannon Jerch,et, al.


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