高压放大器基于压电驱动的爬行机器人的研究实验

实验名称：爬行机器人实验与分析

测试目的：实验包括压电驱动器性能测试和爬行机器人单元节运动测试。其中压电驱动器性能测试主要通过激光位移传感器采集压电驱动器在工作电压下的输出特性相关数据，一方面与理论分析进行对比，另一方面则是验证复合材料加工工艺在压电驱动器上的可行性。爬行机器人单元节运动测试主要是测试在压电驱动器在正常工作条件下能否驱动腿部连杆作出正确的运动，以及测量压电驱动器在负载情况下的位移响应。

测试设备：高压放大器、低通滤波器、压电驱动器、位移传感器、减法放大器等。

实验过程：

图一：测试平台示意图

整个系统测量精度的基础在于所有实验设备都处于一个气垫隔振平台上。对压电驱动器的测试基于一个特制的驱动电源，采用模拟控制的方式，利用电源对实验中所施加的模拟信号放大到完全满足压电驱动器的额定工作电压。测定仪器通过激光位移传感器来收集运行状态下压电驱动器末端的位移变化，并将数据交还给电脑处理。

实验过程中，驱动器共接收两路信号输入，一路为高压直流，一路为交流控制信号。利用三通道压电陶瓷的驱动电源模拟控制放大电压，位移传感器收集相关数据传递到采集卡，就能通过上位机来实时地显示压电驱动器末端输出位移与电压信号的关系曲线图。

对压电驱动器末端位移的测试实验主要用到了激光位移传感器，实验时只取驱动器单侧进行输出特性测试。为了保证得到的实验结果的精确性，本实验于一个气垫隔振平台上进行。使用一个带有夹具的移动平台作为压电驱动器的固定基座，将压电驱动器的中部夹紧并保持水平，将移动平台移到激光位移传感器下后进行对准后，通过移动平台上自带的磁铁，使移动平台固定在隔振平台上，准备进行压电驱动器的输出特性测试，整个实验的示意图如图一所示。

实验结果：

图二：压电驱动器位移响应曲线

实验中选取了10个压电驱动器，分别对其两侧进行了同样的位移性能测试，得到了相应的驱动电压-位移曲线图。图4-8所示的是某一次实验中得到的驱动电压-位移曲线图，其中图二(a)是一次实验整个过程的数据曲线，图二(b)则是从中截取了几个周期的数据后的位移响应曲线。对实际数据进行分析，得到该压电驱动器的末端位移最大值为1021μm。

图三：压电驱动器的最大位移

图三所示分别是20次实验中驱动器的最大末端位移值。20组实验中，80%以上的压电驱动器的最大末端位移都在850μm以上，而编号为6、8和16的驱动器的最大末端位移较小，尤其是16号驱动器，最大末端位移趋近于0，说明该压电驱动器已经失效。造成压电驱动器失效的原因可能有如下几点：1、在加工工艺中出现的误差导致驱动器的性能受损；2、由于压电陶瓷属于比较易碎的材料，在测试阶段中的误操作可能导致压电陶瓷出现微小碎裂，对驱动器的性能造成不可逆的影响。压电驱动器多层材料加工工艺是较为成功的，制造出了一批性能优秀的压电驱动器，良品率在80%以上。驱动器在空载时的最大末端位移达到1000μm左右，理论上能满足爬行机器人运动的需求。

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图：ATA-7030高压放大器指标参数

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审核编辑 黄宇