實驗名稱：快速旋轉軟體驅動器研究

實驗目的：提出一種基于壓電振動驅動的新型可旋轉軟體驅動器，通過理論和有限元模擬分析了該驅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動旋轉性能的影響，并通過實驗驗證了有限元仿真結果。

測試設備：ATA-2042高壓放大器、信號發生器、數碼攝像機、二維升降臺等。

軟體驅動器是一種柔軟、可實現大變形的驅動系統，區別于一般由電機、軸承、齒輪、鉸鏈等剛性構件組成的傳統剛性驅動器.軟體驅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、連續變形、柔順接觸等優點。因此，軟體驅動器在易碎物體的抓取及搬運、復雜非結構化環境下運動等方面具有明顯的優勢。

從無肢動物獲得靈感，提出一種基于壓電振動驅動的新型可旋轉軟體驅動器，通過理論和有限元模擬分析了該驅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動旋轉性能的影響，并通過實驗驗證了有限元仿真結果。

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

振動驅動的剛毛機器人通過壓電雙晶片產生的振動驅動剛毛上下運動,由于剛毛傾斜排列，上下振動過程中會與地面產生非對稱摩擦力(向前摩擦力大于向后摩擦力)，驅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，當旋轉軟體結構的圓端面受到均勻分布的周期性激勵力時，該結構會沿著剛毛傾斜方向產生摩擦力,從而可以提供旋轉的驅動力。

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

通過運動建模和數值模擬對旋轉軟體驅動器進行了運動機理分析，并通過實驗對其旋轉性能進行了研究，該驅動器通過壓電雙晶片產生振動驅動旋轉軟體結構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生的靜摩擦力大于剛毛向上彈起運動過程中產生的滑動摩擦力，從而產生了凈驅動力，進一步在高頻激勵力作用下實現快速旋轉。當旋轉軟體驅動器施加電壓VP-P為400V、頻率為1400Hz時，其旋轉速度可達到118.3r/min，此類旋轉軟體驅動器有望在高性能移動機器人、機械手及人工關節等設計開發中有所應用。

電壓放大器推薦：ATA-2042

圖：ATA-2042高壓放大器指標參數

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審核編輯 黃宇