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構是一種利用DE材料的電致變形與柔性框架形變相結合設計的新型柔性驅動器，所謂最小能量是指驅動器在平衡狀態(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或兩側，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構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，馬鞍形的結構就又會變成剛開始的平面結構。

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動器所造成的影響，提出了一種新型的DE驅動器，該驅動器由彈簧和加載電壓后可以產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在單一方向的往復驅動，并且有著比較高的驅動應變，所以DE薄膜的純剪切形變在介電彈性體驅動器、雙向穩(wěn)定器和柔性驅動機器人中有著廣泛的運用。

測試設備：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據線連接電腦里面的上位機并實時采集數據。其他耗材如表3.1所示。

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

在進行DE驅動器的性能測試之前，本文首先進了彈簧的彈力系數測試，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)。可能會在彈力的作用下發(fā)生形變，所以結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，并不會出現類似的情況。

DE驅動器通電后就會發(fā)生形變，如圖4.4所示，該圖為驅動器在靜止狀態(tài)和通入4kv電壓后的驅動狀態(tài)的對比。驅動狀態(tài)和靜止狀態(tài)的長度區(qū)別即為DE驅動器的伸長量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動方向上維持平衡，這時驅動器處于靜止狀態(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生而被打破，這時DE驅動器就會發(fā)生位移，并會在新的位置達到平衡，此時驅動器的狀態(tài)就被成為驅動狀態(tài)。

本文在測試驅動器的靜態(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驅動器的驅動信號。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所示為驅動器的粘連性實驗，左圖為預測模型，右圖為實驗結果，從對比圖可以看出實驗結果是比較吻合的。

放大器推薦：ATA-7050

圖：ATA-7050高壓放大器指標參數

本文實驗素材由西安安泰電子整理發(fā)布，西安安泰電子科技有限公司（Aigtek）是國內專業(yè)從事測量儀器研發(fā)、生產和銷售的高科技企業(yè)。公司致力于功率放大器、功率信號源、功率放大模塊、計量校準產品等產品為核心的相關行業(yè)測試解決方案的研究，為用戶提供具有競爭力的測試方案，Aigtek已經成為在業(yè)界擁有廣泛產品線，且具有相當規(guī)模的儀器設備供應商，樣機都支持免費試用。

審核編輯 黃宇