實驗名稱:柔性爬行機器人(ren)的材料測試(shi)
研究方向:介電(dian)彈性(xing)(xing)體的(de)(de)(de)最小(xiao)(xiao)(xiao)能量(liang)結(jie)構是一種利用(yong)DE材料的(de)(de)(de)電(dian)致(zhi)變(bian)形(xing)(xing)與柔性(xing)(xing)框架(jia)形(xing)(xing)變(bian)相(xiang)結(jie)合(he)設計(ji)的(de)(de)(de)新型柔性(xing)(xing)驅動器(qi),所(suo)謂最小(xiao)(xiao)(xiao)能量(liang)是指(zhi)驅動器(qi)在(zai)(zai)(zai)平衡(heng)狀態時(shi)整個(ge)系統的(de)(de)(de)能量(liang)最小(xiao)(xiao)(xiao),當(dang)系統在(zai)(zai)(zai)外(wai)界的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)刺激(ji)下就(jiu)會產生對應大小(xiao)(xiao)(xiao)的(de)(de)(de)形(xing)(xing)變(bian),當(dang)外(wai)界的(de)(de)(de)電(dian)壓(ya)減小(xiao)(xiao)(xiao)或者消失的(de)(de)(de)時(shi)候,整體系統由于變(bian)量(liang)的(de)(de)(de)移除從而變(bian)回(hui)最小(xiao)(xiao)(xiao)能量(liang)狀態。其制作方(fang)法通(tong)常(chang)是將(jiang)DE薄膜(mo)預拉伸之后固(gu)定在(zai)(zai)(zai)剛性(xing)(xing)框架(jia)上,然后將(jiang)柔性(xing)(xing)框架(jia)裁剪后粘(zhan)貼在(zai)(zai)(zai)薄膜(mo)的(de)(de)(de)一側或兩側,當(dang)撤銷剛性(xing)(xing)框架(jia)后,在(zai)(zai)(zai)DE彈性(xing)(xing)回(hui)復力的(de)(de)(de)作用(yong)下,外(wai)部的(de)(de)(de)框架(jia)由簡單(dan)的(de)(de)(de)平面(mian)結(jie)構變(bian)成受力復雜(za)的(de)(de)(de)馬鞍形(xing)(xing),當(dang)在(zai)(zai)(zai)DE薄膜(mo)上施(shi)加電(dian)壓(ya)時(shi),薄膜(mo)的(de)(de)(de)麥克斯韋應力在(zai)(zai)(zai)電(dian)應力的(de)(de)(de)作用(yong)下減小(xiao)(xiao)(xiao),馬鞍形(xing)(xing)的(de)(de)(de)結(jie)構就(jiu)又會變(bian)成剛開(kai)始(shi)的(de)(de)(de)平面(mian)結(jie)構。
實驗目的:為了(le)減少傳統馬鞍形的(de)最小能量體能量不足對驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)所造成的(de)影響,提出了(le)一種新(xin)型的(de)DE驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi),該(gai)驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)由彈簧(huang)和加載(zai)電壓后可(ke)以產生純剪切形變(bian)的(de)介(jie)電彈性(xing)體組成。正(zheng)如所述,DE薄膜(mo)(mo)的(de)純剪切形變(bian)可(ke)以實現在單一方向的(de)往(wang)復驅(qu)動(dong),并且(qie)有著(zhu)比較高的(de)驅(qu)動(dong)應變(bian),所以DE薄膜(mo)(mo)的(de)純剪切形變(bian)在介(jie)電彈性(xing)體驅(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)、雙向穩(wen)定器(qi)(qi)(qi)和柔性(xing)驅(qu)動(dong)機器(qi)(qi)(qi)人中有著(zhu)廣泛的(de)運用。
測試設備:ATA-7050高(gao)壓放大器(qi)、介(jie)電彈(dan)性體材料、壓力傳(chuan)感器(qi)、位(wei)移傳(chuan)感器(qi)等(deng)。
實驗過程:在眾(zhong)多的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)彈性體材(cai)(cai)料(liao)中,如(ru)(ru)圖3.1(a)所(suo)示(shi)(shi)(shi)(shi),選擇丙烯酸膠帶為(wei)(wei)實(shi)驗材(cai)(cai)料(liao),該材(cai)(cai)料(liao)有(you)著形變能力(li)大、單位(wei)(wei)(wei)條件下的(de)(de)(de)能量密度高(gao)(gao)、有(you)著較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)介(jie)電(dian)常數(shu)(shu)等(deng)特點。并且因為(wei)(wei)該材(cai)(cai)料(liao)為(wei)(wei)日常耗(hao)材(cai)(cai),所(suo)以比較(jiao)容易(yi)獲得且價格(ge)適中。對于(yu)(yu)柔(rou)性電(dian)極,如(ru)(ru)圖3.1(b)所(suo)示(shi)(shi)(shi)(shi),本文(wen)選擇了(le)碳導電(dian)油脂846-80G作為(wei)(wei)制造(zao)材(cai)(cai)料(liao)。對于(yu)(yu)實(shi)驗所(suo)需(xu)要的(de)(de)(de)高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya),圖3-1(c)所(suo)示(shi)(shi)(shi)(shi),使(shi)用了(le)安泰電(dian)子(zi)科技有(you)限(xian)公(gong)司的(de)(de)(de)ATA-7050高(gao)(gao)壓(ya)(ya)(ya)電(dian)源,其(qi)電(dian)壓(ya)(ya)(ya)最(zui)大輸出為(wei)(wei)10KV,可以提供多種(zhong)列如(ru)(ru)常波、三角(jiao)波、正弦波、方波等(deng)多種(zhong)信(xin)號。有(you)著比較(jiao)高(gao)(gao)的(de)(de)(de)安全性。位(wei)(wei)(wei)移(yi)傳感器(qi)(qi)使(shi)用的(de)(de)(de)是(shi)BL-100NZ激光位(wei)(wei)(wei)移(yi)傳感器(qi)(qi),其(qi)精度為(wei)(wei)0.075mm。壓(ya)(ya)(ya)力(li)傳感器(qi)(qi)為(wei)(wei)LANRINAUMI型(xing),其(qi)測量精度為(wei)(wei)1g,量程為(wei)(wei)1kg。位(wei)(wei)(wei)移(yi)傳感器(qi)(qi)和壓(ya)(ya)(ya)力(li)傳感器(qi)(qi)都可以通過數(shu)(shu)據線連(lian)接電(dian)腦(nao)里面(mian)的(de)(de)(de)上位(wei)(wei)(wei)機并實(shi)時(shi)采集數(shu)(shu)據。其(qi)他耗(hao)材(cai)(cai)如(ru)(ru)表3.1所(suo)示(shi)(shi)(shi)(shi)。
實驗結果:如圖4.2(a)和4.2(b)所示(shi)是介電(dian)(dian)彈性(xing)體(ti)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)伸長(chang)(chang)量(liang)和驅(qu)(qu)動(dong)力(li)測(ce)(ce)試的(de)(de)實(shi)物圖,在(zai)(zai)測(ce)(ce)量(liang)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)(de)大小和DE驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)位移量(liang)的(de)(de)關系時,可以(yi)(yi)先把驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)不(bu)用伸長(chang)(chang)的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)端固定在(zai)(zai)支(zhi)(zhi)架上,另一(yi)(yi)(yi)端懸(xuan)空(kong)可以(yi)(yi)自由移動(dong)。其具(ju)體(ti)的(de)(de)步驟如下:(1)在(zai)(zai)鋁型(xing)材支(zhi)(zhi)架的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)端固定上驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi),另一(yi)(yi)(yi)端固定上激光位移傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi),傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)發射出的(de)(de)激光打在(zai)(zai)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)一(yi)(yi)(yi)端的(de)(de)外殼上;(2)通過高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)發生器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)對DE驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)進行電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)驅(qu)(qu)動(dong);(3)隨著(zhu)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)接(jie)收的(de)(de)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)不(bu)斷(duan)增大,驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)一(yi)(yi)(yi)端也(ye)在(zai)(zai)不(bu)斷(duan)的(de)(de)伸長(chang)(chang),直(zhi)到(dao)(dao)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)里面的(de)(de)介電(dian)(dian)彈性(xing)體(ti)薄(bo)膜被(bei)擊穿(chuan);(4)在(zai)(zai)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)伸長(chang)(chang)的(de)(de)過程中,位移傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)不(bu)斷(duan)的(de)(de)記錄數(shu)據并(bing)上傳(chuan)到(dao)(dao)電(dian)(dian)腦端的(de)(de)上位機中;(5)制作(zuo)多(duo)個同(tong)一(yi)(yi)(yi)大小的(de)(de)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)樣品(pin)進行實(shi)驗,去的(de)(de)多(duo)組的(de)(de)測(ce)(ce)量(liang)數(shu)據后取(qu)平(ping)均(jun)值。在(zai)(zai)測(ce)(ce)量(liang)驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)的(de)(de)驅(qu)(qu)動(dong)力(li)時,步驟與上述(shu)一(yi)(yi)(yi)致:(1)固定住驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)和壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi),保證驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)只有一(yi)(yi)(yi)端可以(yi)(yi)活動(dong);(2)將(jiang)DE驅(qu)(qu)動(dong)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)介入高壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)發生器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi);(3)隨著(zhu)電(dian)(dian)壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)的(de)(de)不(bu)斷(duan)增大,壓(ya)(ya)(ya)(ya)(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)器(qi)(qi)(qi)(qi)(qi)讀(du)取(qu)示(shi)數(shu)后傳(chuan)入電(dian)(dian)腦;(4)測(ce)(ce)量(liang)多(duo)個樣品(pin)并(bing)取(qu)其平(ping)均(jun)值。
在進(jin)行DE驅(qu)動器的(de)(de)性能(neng)測試之前,本文首(shou)先進(jin)了彈(dan)簧(huang)的(de)(de)彈(dan)力系數測試,彈(dan)簧(huang)初始(shi)為(wei)(wei)無加(jia)載狀態(tai),壓力傳感器在電機的(de)(de)推(tui)動下(xia)對彈(dan)簧(huang)進(jin)行擠壓。實驗結(jie)(jie)果(guo)如(ru)圖4.3所(suo)示(shi),因為(wei)(wei)彈(dan)簧(huang)在形(xing)變(bian)的(de)(de)過(guo)程中并不(bu)能(neng)一直(zhi)保持(chi)垂直(zhi)壓縮的(de)(de)狀態(tai)。可(ke)能(neng)會在彈(dan)力的(de)(de)作用下(xia)發生形(xing)變(bian),所(suo)以結(jie)(jie)果(guo)并不(bu)是(shi)一條完美(mei)的(de)(de)直(zhi)線(xian)。但是(shi)因為(wei)(wei)安裝(zhuang)在外(wai)殼上的(de)(de)彈(dan)簧(huang)有外(wai)殼的(de)(de)阻(zu)擋,因此可(ke)以保持(chi)單(dan)一方(fang)向的(de)(de)壓縮,并不(bu)會出現類似(si)的(de)(de)情(qing)況(kuang)。
DE驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)通(tong)(tong)電后就會(hui)發(fa)生形變(bian),如圖4.4所(suo)示,該圖為驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)在(zai)靜止(zhi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)和(he)通(tong)(tong)入4kv電壓(ya)后的(de)(de)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)的(de)(de)對比。驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)和(he)靜止(zhi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)的(de)(de)長度區別即為DE驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)伸(shen)長量ΔL。由(you)于(yu)(yu)外殼上的(de)(de)彈(dan)(dan)(dan)簧(huang)存在(zai),DE薄(bo)(bo)膜的(de)(de)恢復力與(yu)彈(dan)(dan)(dan)簧(huang)的(de)(de)彈(dan)(dan)(dan)力在(zai)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)方向上維持平衡(heng),這(zhe)時(shi)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)處于(yu)(yu)靜止(zhi)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。當(dang)在(zai)DE薄(bo)(bo)膜上施加大(da)電壓(ya)時(shi),平衡(heng)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)由(you)于(yu)(yu)麥克(ke)斯韋應力的(de)(de)產生而被(bei)打破,這(zhe)時(shi)DE驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)就會(hui)發(fa)生位移(yi),并會(hui)在(zai)新(xin)的(de)(de)位置達(da)到平衡(heng),此時(shi)驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)就被(bei)成為驅動(dong)(dong)(dong)(dong)(dong)狀(zhuang)(zhuang)態(tai)。
本文在測試驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)靜(jing)(jing)態特性時,保證電壓為(wei)(wei)4kv不變,然后選用200v/s的(de)(de)三(san)角波(bo)作為(wei)(wei)DE驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)驅(qu)動(dong)(dong)信號。在實驗中因為(wei)(wei)200v/s三(san)角波(bo)的(de)(de)壓縮量(liang)是比(bi)較小的(de)(de),所以可(ke)以認為(wei)(wei)DE薄(bo)膜在每(mei)個時刻都是相(xiang)對靜(jing)(jing)態的(de)(de),即發生(sheng)器(qi)輸出的(de)(de)電壓相(xiang)對不變的(de)(de)。如圖(tu)4.5所示為(wei)(wei)驅(qu)動(dong)(dong)器(qi)的(de)(de)粘連(lian)性實驗,左(zuo)圖(tu)為(wei)(wei)預測模型,右圖(tu)為(wei)(wei)實驗結果,從(cong)對比(bi)圖(tu)可(ke)以看出實驗結果是比(bi)較吻合(he)的(de)(de)。
放大器(qi)推薦:ATA-7050
圖:指標參數
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