實驗名稱：快速旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器研究

實驗目的：提出一種基于壓電振動驅(qū)動的新型可旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器，通過理論和有限元模擬分析了該驅(qū)動器在激勵力作用下的受力及運動機理，研究了施加激勵力的幅值與角頻率對驅(qū)動旋轉(zhuǎn)性能的影響，并通過實驗驗證了有限元仿真結(jié)果。

測試設(shè)備：ATA-2042高壓放大器、信號發(fā)生器、數(shù)碼攝像機、二維升降臺等。

軟體驅(qū)動器是一種柔軟、可實現(xiàn)大變形的驅(qū)動系統(tǒng)，區(qū)別于一般由電機、軸承、齒輪、鉸鏈等剛性構(gòu)件組成的傳統(tǒng)剛性驅(qū)動器.軟體驅(qū)動器通常由軟材料制作而成,理論上具有無限自由度、承受大變形、連續(xù)變形、柔順接觸等優(yōu)點。因此，軟體驅(qū)動器在易碎物體的抓取及搬運、復雜非結(jié)構(gòu)化環(huán)境下運動等方面具有明顯的優(yōu)勢。

從無肢動物獲得靈感，提出一種基于壓電振動驅(qū)動的新型可旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器，通過理論和有限元模擬分析了該驅(qū)動器在激勵力作用下的受力及運動機理，研究了施加激勵力的幅值與角頻率對驅(qū)動旋轉(zhuǎn)性能的影響，并通過實驗驗證了有限元仿真結(jié)果。

實驗中先搭建轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器，采用振動源及軟體剛毛結(jié)構(gòu)組成，合理的振動源可以為該驅(qū)動器提供適宜的激勵力。實驗需要一種可以產(chǎn)生高頻振動的振動源，且需具有一定的驅(qū)動力。

振動驅(qū)動的剛毛機器人通過壓電雙晶片產(chǎn)生的振動驅(qū)動剛毛上下運動,由于剛毛傾斜排列，上下振動過程中會與地面產(chǎn)生非對稱摩擦力(向前摩擦力大于向后摩擦力)，驅(qū)動機器人朝一個方向推進。本文中將陣列傾斜剛毛沿圓周方向布置，當旋轉(zhuǎn)軟體結(jié)構(gòu)的圓端面受到均勻分布的周期性激勵力時，該結(jié)構(gòu)會沿著剛毛傾斜方向產(chǎn)生摩擦力,從而可以提供旋轉(zhuǎn)的驅(qū)動力。

搭建旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器實驗平臺，電壓放大器先將信號發(fā)生器發(fā)出的激勵信號進行放大，然后將激勵信號施加在驅(qū)動器上。為了測量驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)角度，在驅(qū)動器上標明箭頭，并將其置于坐標紙上，該坐標紙的每小格夾角為15°。使用數(shù)碼相機同步拍攝驅(qū)動器的運動過程，然后根據(jù)驅(qū)動器轉(zhuǎn)過一周所需時間計算驅(qū)動器的旋轉(zhuǎn)速度。

通過運動建模和數(shù)值模擬對旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器進行了運動機理分析，并通過實驗對其旋轉(zhuǎn)性能進行了研究，該驅(qū)動器通過壓電雙晶片產(chǎn)生振動驅(qū)動旋轉(zhuǎn)軟體結(jié)構(gòu)的剛毛周期性下彎和上彈運動，在剛毛向下彎曲運動過程中產(chǎn)生的靜摩擦力大于剛毛向上彈起運動過程中產(chǎn)生的滑動摩擦力，從而產(chǎn)生了凈驅(qū)動力，進一步在高頻激勵力作用下實現(xiàn)快速旋轉(zhuǎn)。當旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器施加電壓VP-P為400V、頻率為1400Hz時，其旋轉(zhuǎn)速度可達到118.3r/min，此類旋轉(zhuǎn)軟體驅(qū)動器有望在高性能移動機器人、機械手及人工關(guān)節(jié)等設(shè)計開發(fā)中有所應用。

電壓放大器推薦：ATA-2042

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇