压电陶瓷微动机器人系统实验研究

哈尔滨工业大学博实精密测控有限责任公司
压电陶瓷微动机器人系统实验研究
1.1引言
为验证压电陶瓷微动机器人系统理论建模的准确性，促进微动机器人产业化进程，按照微动机器人建模分析结果，设计制造了柔性铰链放大的机器人开环系统和微动机器人闭环系统。

本章将通过建立实验测试系统，进行实验研究。

并对实验结果进行分析和研究。

1.2 压电陶瓷微动机器人开环系统实验
1.1.1 开环系统静态实验
本课题静态实验系统由哈工大机器人研究所PD-Ⅱ型压电陶瓷驱动电源，美国TMC隔振实验平台，北京机床研究所DWS型超精密振动—位移电容测量仪等组成。

其实验系统结构框图如图1-1所示。

人机界面为通过586计算机输入驱动电源的电压，经D/A转换，由PD-Ⅱ型压电陶瓷电源驱动压电陶瓷产生电致伸缩，使系统输出位移。

由DWS型超精密振动—位移电容测量仪读取系统输出位移值。

实验步骤为：由计算机向驱动电源发电压值，范围为：0v-85v-0v,电压间隔为5v，重复5次，每点5次读数的平均值作为该电压所对应的输出位移值。

实验测得的系统输出位移与解析法和有限元法计算结果比较见表1-1。

图1-1 开环系统静态实验结构框图
Fig.1-1 The diagram of Static experiment structure for open-loop system
表1-1 开环系统输出位移结果比较
Table 1-1 Displacement result comparing of open-loop system
方法解析法有限元法实验
输出位移(μm) 47.81 41.18 39.42
由表可以看出，同样参数下解析法和有限元法建模分析的准确性分别可以达到81.45%和92.45%。

有限元分析法可以明显的提高计算的精度。

实际输出位移结果低于有限元建模分析的原因主要是将模型简化造成的。

另外，压电陶瓷与机构结合面间存在摩擦，压电陶瓷自身被压缩降低了驱动力等因素也存在误
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差。

1.1.2 开环系统动态实验
动态实验采用快速信号记录仪、分析仪进行，实验步骤为：利用丹麦BK 公司的测力锤（BK8001）和测力计（BK8200）对微动机器人施加激振，经加速度传感器（BK8307）检测信号，由电荷放大器（BK2535）放大后输入至3562动态信号分析仪捕捉脉冲响应信号。

其10次平均动态响应特性曲线如图1-2所示。

表1-2为系统的一阶模态对应的固有频率与实验结果的比较。

有限元分析法的精度可以达到97.66%。

表1-2 开环系统动态特性结果比较
Table 1-2 Dynamic characteristic result comparing of the open-loop system
方法
有限元法 实验
固有频率(Hz )
682.27 662.7
图1-2 开环系统动态特性曲线
Fig.1-2 The curve of dynamic characteristic of open-loop system
1.3 压电陶瓷微动机器人闭环系统实验
闭环实验系统由哈工大机器人研究所PD-Ⅱ型压电陶瓷驱动电源，闭环反馈控制器，美国TMC 隔振实验平台，北京机床研究所DWS 型超精密振动—位移电容测量仪等组成。

其实验结构框图如图1-3所示。

人机界面为通过586计算机输入驱动电源的电压数，经D/A 转换由PD-Ⅱ型压电陶瓷电源驱动压电陶瓷产生电致伸缩，使系统输出位移。

并通过闭环反馈控制器采用PID 控制算法改善系统的迟滞和非线性。

动态实验时采用加速度传感器和3562动态信号分析仪捕捉阶跃响应信号进行分析。

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1.2.1 闭环系统静态实验
实验步骤为：由计算机向驱动电源发电压值，范围为：0v-120v-0v,电压间隔为10v，重复5次，每点5次读数的平均值作为该电压所对应的输出位移值。

通过闭环反馈控制，能有效的消除迟滞误差。

实验测得的系统输出位移与解析法和有限元法比较见表1-3。

图1-3 闭环系统静态实验结构框图
Fig.1-4 The Static experiment structure diagram of closed-loop system
表1-3 闭环系统输出位移结果比较
Table 1-3 Displacement comparing result of closed-loop system
方法解析法有限元法实验
输出位移(μm) 131.87 112.32 101.34
由表可以看出，同样参数下解析法和有限元法建模分析的准确性分别可以达到77.2%和90.3%。

有限元分析法可以明显的提高计算的精度。

同样由于建模时的简化，实际输出位移结果低于有限元建模分析结果。

1.2.2 闭环系统动态实验
动态实验同样采用快速信号记录仪、分析仪进行，实验步骤为：利用丹麦BK公司的测力锤（BK8001）和测力计（BK8200）对微动机器人施加激振，经加速度传感器（BK8307）检测信号，由电荷放大器（BK2535）放大后输入至3562动态信号分析仪捕捉脉冲响应信号。

其10次平均动态响应特性曲线如图1-4所示。

表1-4为系统的一阶模态对应的固有频率与实验结果的比较。

有限元分析法的精度可以达到71.21%。

表1-4闭环系统动态特性结果比较
Table 1-4 Dynamic characteristic result comparing of the closed-loop system
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方法 有限元法
实验
固有频率(Hz )
560.85 405
图1-4闭环系统动态特性曲线
Fig.1-4 The curve of dynamic characteristic of closed-loop system。