安泰高压放大器在介电高弹聚合物驱动器和软体机器人中的应用

　　实验名称：介电高弹聚合物叠层弯曲驱动器的制备与自适应控制实验

　　研究方向：机器人在社会生产中有着广泛应用。由硬质材料构造的机器人具有动力足、精度高等优点，但在复杂场景作业、医疗康复辅助等应用场景中其环境适应性与人体亲和性方面仍面临挑战。软体机器人的出现为应对此类挑战提供了新的思路。软体机器人系统主要由可承受较大变形的软材料组成，具有柔顺度好、抗冲击能力强等优点。不同于由电机-传动系统等硬质结构驱动的机器人，软体机器人由类似“人工肌肉”的功能软材料及结构提供动力，可在外界激励下产生变形并实现系统功能。作为一类典型的电响应功能软材料，介电高弹聚合物(Dielectricelastomer，DE)具有驱动应变大、响应快速、能量密度高等优点，有望为高性能软体机器人系统的研制及其在航空航天、深海探索、医疗康复等领域的应用提供支撑。

　　实验目的：从介电高弹聚合物的力电耦合变形机理分析出发，构造出具备高效柔顺变形及稳定控制能力的软体驱动结构，在软体驱动结构建模方面、软体驱动器构造与控制方面、复杂叠层结构驱动器的成型与应用方面；三方面综合研究实现其机器人系统在复杂任务环境中的可靠操纵，并利用工艺设计制造响应的软体驱动器件进行实验。

　　测试设备：控制板卡设备、高压放大器、激光位移传感器等。

　　实验过程：实验设置如图所示。一个完整的控制流程如下:激光位移传感器测量当前弯曲驱动器的垂直位移，并将实时数据发送给控制板。控制板对位移信号进行采样并利用插值计算对采样信号进行处理，消除驱动器水平位移的影响。速度信号则通过对相邻位移测量值进行差分运算得到，加速度信号同理。控制板根据反馈信号计算出控制量后，将模拟控制信号发送至高压放大器。高压放大器将接收到的控制信号放大，变成输出在驱动器上的电压。此外，一台通用计算机作为上位机与控制板进行通信，用于控制参数调整与数据记录。该系统的控制频率设置为1kHz。

　　实验结果：控制率式中有部分动力学参数需要进行参数辨识。参数辨识的初始值可以得到，然后进一步在Simulink软件中用仿真结果拟合实验数据以调节参数。最终得到的辨识结果。图3.9是输入电压信号为峰-峰值700v频率1Hz的偏置正弦波的参数识别结果，可以看出模拟结果(黑色曲线)与实验结果(红色曲线)吻合较好。最终标定出来的参数估计值为:M=0.004，M=0.018,a=[3.571,0.018,17.57,57.46,-1.364]，注意这些数值会在实际控制过程中通过自适应律动态改变

　　在验证本节所提出控制器的性能之前，不妨先看使用传统PID控制的效果是怎样的。图3.10为PID控制器的位移跟踪实验结果。跟踪参考轨迹是一个振幅为0.04，频率为1Hz的正弦位移。零时刻时的跟踪误差较大，表明需要增加PD控40制器的比例系数。然而，比例系数的增加激发了高频模态，反而引起了发散。这一结果表明，没有模型信息的控制器不能处理这种非线性系统。

　　为了证明自适应律的有效性，下面的实验对比无参数自适应的控制器(C1)和有参数自适应的控制器(C2)的表现。经实验测试，对于C1控制器，控制参数[入,k]设定为[5,2.2]，对于C2控制器则设为[5,1.7]。为避免自适应发散,设置参数变化的边界为d∈(0.5xd标定值,2xd标定值]，其中d=M0,M1,à。

　　图5-7分别为跟踪正弦参考轨迹的频率为1Hz、15Hz和2Hz时，两个控制器的控制实验结果。可以看到，在1Hz情况下两个控制器产生的位移可以很好地跟踪参考轨迹，但C2的跟踪精度高于C1。而随着参考轨迹频率的增加，C2和C之间的性能差距变得更大。即便C1的反馈增益k比C2更大，但在误差、超调以及相位滞后方面，C2仍优于C1。

　　图8为跟踪一个连续阶跃轨迹的控制实验结果。在阶跃发生时，C1和C2有着类似的响应速度，因为其控制带宽入相同。从误差曲线中看，C2收益于参数自适应，反馈增益k设定得较小，因而振荡更平缓

　　综合来看，两个控制器都表现出了不错的控制效果，验证了基于动力学模型的控制的有效性与鲁棒性，而参数自适应进一步改善了控制性能。

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图：ATA-7050高压放大器指标参数

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