實驗名稱：爬行機器人實驗與分析

測試目的：實驗包括壓電驅動器性能測試和爬行機器人單元節運動測試。其中壓電驅動器性能測試主要通過激光位移傳感器采集壓電驅動器在工作電壓下的輸出特性相關數據，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動器上的可行性。爬行機器人單元節運動測試主要是測試在壓電驅動器在正常工作條件下能否驅動腿部連桿作出正確的運動，以及測量壓電驅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。對壓電驅動器的測試基于一個特制的驅動電源，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下壓電驅動器末端的位移變化，并將數據交還給電腦處理。

實驗過程中，驅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動電源模擬控制放大電壓，位移傳感器收集相關數據傳遞到采集卡，就能通過上位機來實時地顯示壓電驅動器末端輸出位移與電壓信號的關系曲線圖。

對壓電驅動器末端位移的測試實驗主要用到了激光位移傳感器，實驗時只取驅動器單側進行輸出特性測試。為了保證得到的實驗結果的精確性，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動器的固定基座，將壓電驅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。

實驗結果：

圖二：壓電驅動器位移響應曲線

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

圖三：壓電驅動器的最大位移

圖三所示分別是20次實驗中驅動器的最大末端位移值。20組實驗中，80%以上的壓電驅動器的最大末端位移都在850μm以上，而編號為6、8和16的驅動器的最大末端位移較小，尤其是16號驅動器，最大末端位移趨近于0，說明該壓電驅動器已經失效。造成壓電驅動器失效的原因可能有如下幾點：1、在加工工藝中出現的誤差導致驅動器的性能受損；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微小碎裂，對驅動器的性能造成不可逆的影響。壓電驅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秀的壓電驅動器，良品率在80%以上。驅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。

高壓放大器推薦：ATA-7030

圖：ATA-7030高壓放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發布，如想了解更多實驗方案，請持續關注安泰官網。Aigtek是國內專業從事測量儀器研發、生產和銷售的高科技企業，一直專注于高壓放大器、電壓放大器、功率放大模塊、高精度電流源等測試儀器產品的研發與制造。高壓放大器https://www.aigtek.com/products/bk-gyfdq.html

審核編輯 黃宇