應用案例

實驗名稱：基于振動驅動的旋轉及攀爬軟體機器人的研究

研究方向：利用振動驅動原理，設計了能夠實現(xiàn)快速旋轉運動和攀爬運動的兩種軟體驅動結構。

實驗內容：

旋轉軟體機器人具有可實現(xiàn)大變形、柔性接觸、人體友好等特性，在移動機器人、生物醫(yī)學器件等領域具有重要的應用價值。本文主要設計并制作了壓電振動驅動的旋轉軟體機器人，并通過有限元仿真對其運動進行分析，然后研究了施加的激勵力的幅值和角頻率對該機器人旋轉速度影響，最后通過實驗驗證有限元仿真結果。

旋轉軟體機械人的制作實驗設備：

硅膠、PLA、振動電機、鋰電池、亞克力玻璃管、可調直流穩(wěn)壓電源、高速攝像機、3D打印機、精密電子天平、恒溫鼓風干燥箱、電子秒表、信號發(fā)生器、功率放大器、數(shù)碼攝像機。

實驗過程：

旋轉軟體機器人的實驗研究：

在旋轉軟件機器人的轉速測量實驗中，高壓功率放大器將信號發(fā)生器發(fā)出的激勵信號進行放大，然后激勵信號施加在機器人上。為了測量機器人的旋轉角度，在機器人上標明箭頭，并將其置于坐標紙上，該坐標紙的每小格夾角為30°。使用數(shù)碼相機同步拍攝機器人的運動過程，然后根據(jù)機器人轉過一周所需時間計算機器人的旋轉速度。

實驗結果：

下圖為電壓和頻率對旋轉軟體機器人轉速的影響，其中橫坐標為頻率，縱坐標為機器人的轉速，當施加頻率超過700Hz后，該旋轉軟體機器人旋轉速度存在明顯的規(guī)律，其呈現(xiàn)旋轉速度先增大后減小得趨勢，造成這種現(xiàn)象原因可能是當外加電壓接近機器人的共振頻率時，旋轉軟體機器人的轉速越大。當在電壓400Vpp時，頻率1400Hz，該機器人最大轉速可達118.3r/min，與模擬得到的機器人轉速113.5r/min相近，驗證了理論與數(shù)據(jù)分析結果。

高壓放大器在實驗過程中提供了高電壓，施加在機器人上，通過數(shù)值模擬和實驗的結果對旋轉軟體機器人進行了運動機理分析，并通過實驗對其旋轉性能進行了研究對其旋轉性能進行了研究。該機器人通過壓電雙晶片產生振動驅動旋轉軟體結構的觸角周期性下彎和上彈運動，在觸角向下彎運動過程產生的靜摩檫力大于觸角向上彈起運動過程中產生滑動摩檫力，從而產生凈動力，進而在高頻激勵力作用下可以實現(xiàn)快速旋轉。

功率放大器選擇的是ATA-2042，最大可輸出400Vpp的電壓，頻率范圍DC-500KHz，輸出功率最大20W，可以驅動高壓型負載。電壓增益數(shù)控可調，一鍵保存常用設置，提供了方便簡潔的操作選擇，可與主流的信號發(fā)生器配套使用，實現(xiàn)信號的完美放大。

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