實驗名稱：柔性爬行機器人的材料測試

研究方向：介電彈性體的最小能量結(jié)構(gòu)是一種利用DE材料的電致變形與柔性框架形變相結(jié)合設(shè)計的新型柔性驅(qū)動器，所謂最小能量是指驅(qū)動器在平衡狀態(tài)時整個系統(tǒng)的能量最小，當系統(tǒng)在外界的電壓刺激下就會產(chǎn)生對應大小的形變，當外界的電壓減小或者消失的時候，整體系統(tǒng)由于變量的移除從而變回最小能量狀態(tài)。其制作方法通常是將DE薄膜預拉伸之后固定在剛性框架上，然后將柔性框架裁剪后粘貼在薄膜的一側(cè)或兩側(cè)，當撤銷剛性框架后，在DE彈性回復力的作用下，外部的框架由簡單的平面結(jié)構(gòu)變成受力復雜的馬鞍形，當在DE薄膜上施加電壓時，薄膜的麥克斯韋應力在電應力的作用下減小，馬鞍形的結(jié)構(gòu)就又會變成剛開始的平面結(jié)構(gòu)。

實驗目的：為了減少傳統(tǒng)馬鞍形的最小能量體能量不足對驅(qū)動器所造成的影響，提出了一種新型的DE驅(qū)動器，該驅(qū)動器由彈簧和加載電壓后可以產(chǎn)生純剪切形變的介電彈性體組成。正如所述，DE薄膜的純剪切形變可以實現(xiàn)在單一方向的往復驅(qū)動，并且有著比較高的驅(qū)動應變，所以DE薄膜的純剪切形變在介電彈性體驅(qū)動器、雙向穩(wěn)定器和柔性驅(qū)動機器人中有著廣泛的運用。

測試設(shè)備：ATA-7050高壓放大器、介電彈性體材料、壓力傳感器、位移傳感器等。

實驗過程：在眾多的介電彈性體材料中，如圖3.1(a)所示，選擇丙烯酸膠帶為實驗材料，該材料有著形變能力大、單位條件下的能量密度高、有著較高的介電常數(shù)等特點。并且因為該材料為日常耗材，所以比較容易獲得且價格適中。對于柔性電極，如圖3.1(b)所示，本文選擇了碳導電油脂846-80G作為制造材料。對于實驗所需要的高壓，圖3-1(c)所示，使用了安泰電子科技有限公司的ATA-7050高壓電源，其電壓最大輸出為10KV，可以提供多種列如常波、三角波、正弦波、方波等多種信號。有著比較高的安全性。位移傳感器使用的是BL-100NZ激光位移傳感器，其精度為0.075mm。壓力傳感器為LANRINAUMI型，其測量精度為1g，量程為1kg。位移傳感器和壓力傳感器都可以通過數(shù)據(jù)線連接電腦里面的上位機并實時采集數(shù)據(jù)。其他耗材如表3.1所示。

實驗結(jié)果：如圖4.2(a)和4.2(b)所示是介電彈性體驅(qū)動器的伸長量和驅(qū)動力測試的實物圖，在測量電壓的大小和DE驅(qū)動器位移量的關(guān)系時，可以先把驅(qū)動器不用伸長的一端固定在支架上，另一端懸空可以自由移動。其具體的步驟如下：（1）在鋁型材支架的一端固定上驅(qū)動器，另一端固定上激光位移傳感器，傳感器發(fā)射出的激光打在驅(qū)動器一端的外殼上；（2）通過高壓發(fā)生器對DE驅(qū)動器進行電壓驅(qū)動；（3）隨著驅(qū)動器接收的電壓不斷增大，驅(qū)動器的一端也在不斷的伸長，直到驅(qū)動器里面的介電彈性體薄膜被擊穿；（4）在驅(qū)動器伸長的過程中，位移傳感器不斷的記錄數(shù)據(jù)并上傳到電腦端的上位機中；（5）制作多個同一大小的驅(qū)動器樣品進行實驗，去的多組的測量數(shù)據(jù)后取平均值。在測量驅(qū)動器的驅(qū)動力時，步驟與上述一致：（1）固定住驅(qū)動器和壓力傳感器，保證驅(qū)動器只有一端可以活動；（2）將DE驅(qū)動器介入高壓發(fā)生器；（3）隨著電壓的不斷增大，壓力傳感器讀取示數(shù)后傳入電腦；（4）測量多個樣品并取其平均值。

在進行DE驅(qū)動器的性能測試之前，本文首先進了彈簧的彈力系數(shù)測試，彈簧初始為無加載狀態(tài)，壓力傳感器在電機的推動下對彈簧進行擠壓。實驗結(jié)果如圖4.3所示，因為彈簧在形變的過程中并不能一直保持垂直壓縮的狀態(tài)?？赡軙趶椓Φ淖饔孟掳l(fā)生形變，所以結(jié)果并不是一條完美的直線。但是因為安裝在外殼上的彈簧有外殼的阻擋，因此可以保持單一方向的壓縮，并不會出現(xiàn)類似的情況。

DE驅(qū)動器通電后就會發(fā)生形變，如圖4.4所示，該圖為驅(qū)動器在靜止狀態(tài)和通入4kv電壓后的驅(qū)動狀態(tài)的對比。驅(qū)動狀態(tài)和靜止狀態(tài)的長度區(qū)別即為DE驅(qū)動器的伸長量ΔL。由于外殼上的彈簧存在，DE薄膜的恢復力與彈簧的彈力在驅(qū)動方向上維持平衡，這時驅(qū)動器處于靜止狀態(tài)。當在DE薄膜上施加大電壓時，平衡狀態(tài)由于麥克斯韋應力的產(chǎn)生而被打破，這時DE驅(qū)動器就會發(fā)生位移，并會在新的位置達到平衡，此時驅(qū)動器的狀態(tài)就被成為驅(qū)動狀態(tài)。

本文在測試驅(qū)動器的靜態(tài)特性時，保證電壓為4kv不變，然后選用200v/s的三角波作為DE驅(qū)動器的驅(qū)動信號。在實驗中因為200v/s三角波的壓縮量是比較小的，所以可以認為DE薄膜在每個時刻都是相對靜態(tài)的，即發(fā)生器輸出的電壓相對不變的。如圖4.5所示為驅(qū)動器的粘連性實驗，左圖為預測模型，右圖為實驗結(jié)果，從對比圖可以看出實驗結(jié)果是比較吻合的。

放大器推薦：ATA-7050

圖：ATA-7050高壓放大器指標參數(shù)

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審核編輯 黃宇