實驗名稱：最小能量結(jié)構(gòu)電信號響應(yīng)研究

研究方向：驅(qū)動器的工作行程、輸出力矩直接決定著管道機(jī)器人的工作性能，電信號對驅(qū)動器的工作行程有著直接的影響。此外，軟體管道機(jī)器人的向前運動方式與傳統(tǒng)剛性管道機(jī)器人的前進(jìn)方式不同，位移相比于電信號有著一定的滯后效應(yīng)。所以還需要探究電信號對驅(qū)動器形變角度的影響并進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化，從而提高驅(qū)動器負(fù)載能力和擴(kuò)大驅(qū)動行程。

實驗?zāi)康模河懻摻殡姀椥泽w最小能量結(jié)構(gòu)(DielectricElastomerMinimumEnergyStructure，DEMES)的動態(tài)特性，即電信號的波形、頻率和峰值對DEMES的電致形變量的影響，在研究這些變量影響的實驗中，使用已經(jīng)進(jìn)行了靜力學(xué)優(yōu)化的方案:材料拉伸率380%X300%；圓形鏤空區(qū)r、b、h分別為15mm、8mm、4mm；材料厚度為0.21mm。

測試設(shè)備：信號發(fā)生器、高壓放大器、位移傳感器、數(shù)字示波器等。

實驗過程：

使用信號發(fā)生器，ATA-7050高壓放大器產(chǎn)生驅(qū)動電壓；設(shè)置測量距離為15cm，使用位移傳感器測量對DEMES形變進(jìn)行測量，保持測量范圍在15-20cm；使用數(shù)字示波器，以500Hz的采樣頻率，進(jìn)行測得數(shù)據(jù)記錄。實驗臺設(shè)備連接圖如圖4-1(左)和實驗裝置圖如圖4-1(右)所示。

圖4-1：實驗裝置圖

為了方便測量，實驗選擇測量驅(qū)動器兩端的距離變化。

實驗結(jié)果：

為研究DEMES在不同頻率下的動態(tài)響應(yīng)，將電壓信號設(shè)置成如表4-1所示。

實驗結(jié)果如圖4-2，可以看出，DEMES在不同頻率下的形變量差別較大，總體趨勢是頻率增大形變減小，這是由DE材料本身粘彈性決定的。DEMES的形變會后于電信號的發(fā)出，頻率較高時，一個周期中DE材料上被施加了電壓產(chǎn)生形變，DEMES的形變未達(dá)到極限電壓就已經(jīng)停止，相似地，在一個周期內(nèi)停止施加電壓的時域內(nèi)，DEMES從形變狀態(tài)恢復(fù)，直到接收到下個周期的電壓信號，此時還未完全恢復(fù)，開始下個周期的形變，頻率越高這種現(xiàn)象越明顯。

為研究將DEMES在不同峰值下的動態(tài)響應(yīng)，將電壓信號設(shè)置成1Hz占空比50%的正弦波，分別以3kV、4kV、5kV為最大電壓分別測得DEMES形變量，繪制曲線如圖4-3所示。

DEMES的最大形變與最大電壓成正相關(guān)，但是在同一時刻5kV與4kV形變量差大于4kV與3kV形變量差,即DEMES的形變量并不是簡單地隨電壓增大而線性增大，而是隨著電壓增大，形變量增加的梯度也增大。在頻率允許的情況下，隨著峰值電壓增大，形變量會增加，且增加量也會增大。

為探究DEMES在不同波形電壓下的動態(tài)響應(yīng)，將設(shè)置信號發(fā)生器以方波、三角波和正弦波的方式分別進(jìn)行實驗。為了盡量排除由制作、溫度、時間等因素造成的誤差這幾種波形施加在同一驅(qū)動器進(jìn)行實驗。DEMES在高壓下運動次數(shù)較多，避免材料性質(zhì)隨時間變化，電壓采用較低的4.5kV，占空比50%，電信號頻率為5Hz。

圖4-4是三種不同波形驅(qū)動電壓下的DEMES電致形變量。

圖4-4方波、三角波和正弦波下的DEMES電致形變量

在方波信號下，驅(qū)動器被施加電壓后產(chǎn)生形變，其速度逐漸減慢直到一個周期內(nèi)的電壓信號停止瞬間以一定速度恢復(fù)初始態(tài)，其速度逐漸減慢。在圖上呈現(xiàn)尖銳的波峰，50%的形變量增大周期與占空比稍有滯后。DE材料具有一定粘彈性，所以其形變相比電壓信號會有遲滯效果。

在三角波信號下，電壓增加的半個周期內(nèi)，驅(qū)動器被施加電壓后產(chǎn)生形變，電壓信號達(dá)到最大瞬間前速度減慢，電信號電壓最大時，其速度幾乎為0。

在正弦波信號下，除了第一個周期，驅(qū)動器被施加正弦波電壓后，產(chǎn)生的形變量曲線呈正弦波，由于遲滯效應(yīng)，整體波段相比電信號稍有滯后。

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圖：ATA-7050高壓放大器指標(biāo)參數(shù)

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審核編輯 黃宇