實(shí)驗(yàn)名稱：爬行機(jī)器人實(shí)驗(yàn)與分析

測試目的：實(shí)驗(yàn)包括壓電驅(qū)動(dòng)器性能測試和爬行機(jī)器人單元節(jié)運(yùn)動(dòng)測試。其中壓電驅(qū)動(dòng)器性能測試主要通過激光位移傳感器采集壓電驅(qū)動(dòng)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(jìn)行對比，另一方面則是驗(yàn)證復(fù)合材料加工工藝在壓電驅(qū)動(dòng)器上的可行性。爬行機(jī)器人單元節(jié)運(yùn)動(dòng)測試主要是測試在壓電驅(qū)動(dòng)器在正常工作條件下能否驅(qū)動(dòng)腿部連桿作出正確的運(yùn)動(dòng)，以及測量壓電驅(qū)動(dòng)器在負(fù)載情況下的位移響應(yīng)。

測試設(shè)備：高壓放大器、低通濾波器、壓電驅(qū)動(dòng)器、位移傳感器、減法放大器等。

實(shí)驗(yàn)過程：

圖一：測試平臺(tái)示意圖

整個(gè)系統(tǒng)測量精度的基礎(chǔ)在于所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備都處于一個(gè)氣墊隔振平臺(tái)上。對壓電驅(qū)動(dòng)器的測試基于一個(gè)特制的驅(qū)動(dòng)電源，采用模擬控制的方式，利用電源對實(shí)驗(yàn)中所施加的模擬信號(hào)放大到完全滿足壓電驅(qū)動(dòng)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(yùn)行狀態(tài)下壓電驅(qū)動(dòng)器末端的位移變化，并將數(shù)據(jù)交還給電腦處理。

實(shí)驗(yàn)過程中，驅(qū)動(dòng)器共接收兩路信號(hào)輸入，一路為高壓直流，一路為交流控制信號(hào)。利用三通道壓電陶瓷的驅(qū)動(dòng)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(jī)來實(shí)時(shí)地顯示壓電驅(qū)動(dòng)器末端輸出位移與電壓信號(hào)的關(guān)系曲線圖。

對壓電驅(qū)動(dòng)器末端位移的測試實(shí)驗(yàn)主要用到了激光位移傳感器，實(shí)驗(yàn)時(shí)只取驅(qū)動(dòng)器單側(cè)進(jìn)行輸出特性測試。為了保證得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果的精確性，本實(shí)驗(yàn)于一個(gè)氣墊隔振平臺(tái)上進(jìn)行。使用一個(gè)帶有夾具的移動(dòng)平臺(tái)作為壓電驅(qū)動(dòng)器的固定基座，將壓電驅(qū)動(dòng)器的中部夾緊并保持水平，將移動(dòng)平臺(tái)移到激光位移傳感器下后進(jìn)行對準(zhǔn)后，通過移動(dòng)平臺(tái)上自帶的磁鐵，使移動(dòng)平臺(tái)固定在隔振平臺(tái)上，準(zhǔn)備進(jìn)行壓電驅(qū)動(dòng)器的輸出特性測試，整個(gè)實(shí)驗(yàn)的示意圖如圖一所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果：

圖二：壓電驅(qū)動(dòng)器位移響應(yīng)曲線

實(shí)驗(yàn)中選取了10個(gè)壓電驅(qū)動(dòng)器，分別對其兩側(cè)進(jìn)行了同樣的位移性能測試，得到了相應(yīng)的驅(qū)動(dòng)電壓-位移曲線圖。圖4-8所示的是某一次實(shí)驗(yàn)中得到的驅(qū)動(dòng)電壓-位移曲線圖，其中圖二(a)是一次實(shí)驗(yàn)整個(gè)過程的數(shù)據(jù)曲線，圖二(b)則是從中截取了幾個(gè)周期的數(shù)據(jù)后的位移響應(yīng)曲線。對實(shí)際數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到該壓電驅(qū)動(dòng)器的末端位移最大值為1021μm。

圖三：壓電驅(qū)動(dòng)器的最大位移

圖三所示分別是20次實(shí)驗(yàn)中驅(qū)動(dòng)器的最大末端位移值。20組實(shí)驗(yàn)中，80%以上的壓電驅(qū)動(dòng)器的最大末端位移都在850μm以上，而編號(hào)為6、8和16的驅(qū)動(dòng)器的最大末端位移較小，尤其是16號(hào)驅(qū)動(dòng)器，最大末端位移趨近于0，說明該壓電驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)失效。造成壓電驅(qū)動(dòng)器失效的原因可能有如下幾點(diǎn)：1、在加工工藝中出現(xiàn)的誤差導(dǎo)致驅(qū)動(dòng)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(dǎo)致壓電陶瓷出現(xiàn)微小碎裂，對驅(qū)動(dòng)器的性能造成不可逆的影響。壓電驅(qū)動(dòng)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(dòng)器，良品率在80%以上。驅(qū)動(dòng)器在空載時(shí)的最大末端位移達(dá)到1000μm左右，理論上能滿足爬行機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的需求。

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審核編輯 黃宇