實驗名稱：爬行機器人實驗與分析

測試目的：實驗包括壓電驅(qū)動器性能測試和爬行機器人單元節(jié)運動測試。其中壓電驅(qū)動器性能測試主要通過激光位移傳感器采集壓電驅(qū)動器在工作電壓下的輸出特性相關(guān)數(shù)據(jù)，一方面與理論分析進行對比，另一方面則是驗證復合材料加工工藝在壓電驅(qū)動器上的可行性。爬行機器人單元節(jié)運動測試主要是測試在壓電驅(qū)動器在正常工作條件下能否驅(qū)動腿部連桿作出正確的運動，以及測量壓電驅(qū)動器在負載情況下的位移響應。

測試設備：高壓放大器、低通濾波器、壓電驅(qū)動器、位移傳感器、減法放大器等。

實驗過程：

圖一：測試平臺示意圖

整個系統(tǒng)測量精度的基礎在于所有實驗設備都處于一個氣墊隔振平臺上。對壓電驅(qū)動器的測試基于一個特制的驅(qū)動電源，采用模擬控制的方式，利用電源對實驗中所施加的模擬信號放大到完全滿足壓電驅(qū)動器的額定工作電壓。測定儀器通過激光位移傳感器來收集運行狀態(tài)下壓電驅(qū)動器末端的位移變化，并將數(shù)據(jù)交還給電腦處理。

實驗過程中，驅(qū)動器共接收兩路信號輸入，一路為高壓直流，一路為交流控制信號。利用三通道壓電陶瓷的驅(qū)動電源模擬控制放大電壓，位移傳感器收集相關(guān)數(shù)據(jù)傳遞到采集卡，就能通過上位機來實時地顯示壓電驅(qū)動器末端輸出位移與電壓信號的關(guān)系曲線圖。

對壓電驅(qū)動器末端位移的測試實驗主要用到了激光位移傳感器，實驗時只取驅(qū)動器單側(cè)進行輸出特性測試。為了保證得到的實驗結(jié)果的精確性，本實驗于一個氣墊隔振平臺上進行。使用一個帶有夾具的移動平臺作為壓電驅(qū)動器的固定基座，將壓電驅(qū)動器的中部夾緊并保持水平，將移動平臺移到激光位移傳感器下后進行對準后，通過移動平臺上自帶的磁鐵，使移動平臺固定在隔振平臺上，準備進行壓電驅(qū)動器的輸出特性測試，整個實驗的示意圖如圖一所示。

實驗結(jié)果：

圖二：壓電驅(qū)動器位移響應曲線

實驗中選取了10個壓電驅(qū)動器，分別對其兩側(cè)進行了同樣的位移性能測試，得到了相應的驅(qū)動電壓-位移曲線圖。圖4-8所示的是某一次實驗中得到的驅(qū)動電壓-位移曲線圖，其中圖二(a)是一次實驗整個過程的數(shù)據(jù)曲線，圖二(b)則是從中截取了幾個周期的數(shù)據(jù)后的位移響應曲線。對實際數(shù)據(jù)進行分析，得到該壓電驅(qū)動器的末端位移最大值為1021μm。

圖三：壓電驅(qū)動器的最大位移

圖三所示分別是20次實驗中驅(qū)動器的最大末端位移值。20組實驗中，80%以上的壓電驅(qū)動器的最大末端位移都在850μm以上，而編號為6、8和16的驅(qū)動器的最大末端位移較小，尤其是16號驅(qū)動器，最大末端位移趨近于0，說明該壓電驅(qū)動器已經(jīng)失效。造成壓電驅(qū)動器失效的原因可能有如下幾點：1、在加工工藝中出現(xiàn)的誤差導致驅(qū)動器的性能受損；2、由于壓電陶瓷屬于比較易碎的材料，在測試階段中的誤操作可能導致壓電陶瓷出現(xiàn)微小碎裂，對驅(qū)動器的性能造成不可逆的影響。壓電驅(qū)動器多層材料加工工藝是較為成功的，制造出了一批性能優(yōu)秀的壓電驅(qū)動器，良品率在80%以上。驅(qū)動器在空載時的最大末端位移達到1000μm左右，理論上能滿足爬行機器人運動的需求。

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圖：ATA-7030高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇