介電彈性體機(jī)電性能測(cè)試系統(tǒng)的研制

閆 華，張 杰，楊征宇，劉 衛(wèi)

(1．南京工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院，江蘇南京 211167)

(2．先進(jìn)數(shù)控技術(shù)江蘇省高校重點(diǎn)建設(shè)實(shí)驗(yàn)室，江蘇南京 211167)

介電彈性體是一種能夠在電流、電壓或電場(chǎng)作用下產(chǎn)生物理形變的聚合物智能材料，這種形變具有瞬發(fā)性，因此被視為微型機(jī)器人中驅(qū)動(dòng)器的理想材料［1］。與傳統(tǒng)微驅(qū)動(dòng)材料相比，介電彈性體產(chǎn)生的應(yīng)變比傳統(tǒng)的脆性壓電陶瓷高出兩個(gè)數(shù)量級(jí)，比形狀記憶合金響應(yīng)速度更快，因而成為國(guó)內(nèi)外矚目的新型微驅(qū)動(dòng)材料。近十年來(lái)，各國(guó)學(xué)者對(duì)該材料的性能進(jìn)行了深入的理論和實(shí)驗(yàn)研究，特別是作為驅(qū)動(dòng)材料方面的研究引起了人們的廣泛關(guān)注［2］。目前在這一領(lǐng)域的研究中處于領(lǐng)先地位的是美國(guó)加利福尼亞州斯坦福研究院(SRI)，SRI試圖充分利用介電彈性體的特性，在某些微小產(chǎn)品上取代常規(guī)的電動(dòng)馬達(dá)或其他的驅(qū)動(dòng)裝置，其初期的成果便是二維彎曲輥驅(qū)動(dòng)的六腿機(jī)器人，這是聚合物驅(qū)動(dòng)器發(fā)展史上的一個(gè)里程碑［3］。國(guó)內(nèi)方面迄今為止關(guān)于介電彈性體的驅(qū)動(dòng)、結(jié)構(gòu)及應(yīng)用方面的研究尚處在起步階段，很多實(shí)驗(yàn)裝置都是采用手工方式進(jìn)行電壓調(diào)節(jié)。由于介電彈性體具有高電壓驅(qū)動(dòng)和大應(yīng)變特性，傳統(tǒng)的接觸測(cè)量傳感方式用于測(cè)試介電彈性體的變形和應(yīng)變是危險(xiǎn)和困難的。因此本文使用具有PWM控制功能的高性能單片機(jī)(mega128)控制高壓電源逐步給介電彈性體施加高電壓，采用數(shù)字圖像處理技術(shù)來(lái)測(cè)量介電彈性體的機(jī)電性能。

1 介電彈性體實(shí)驗(yàn)裝置的構(gòu)建

本文首先設(shè)計(jì)出雙向材料預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)，用于對(duì)介電彈性體薄膜進(jìn)行雙向預(yù)拉伸。雙向材料預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)以步進(jìn)電機(jī)為動(dòng)力源，以梅花聯(lián)軸器與滾珠絲杠進(jìn)行聯(lián)接，通過(guò)滾珠絲杠副帶動(dòng)夾具進(jìn)行直線運(yùn)動(dòng)。工作臺(tái)面設(shè)計(jì)了特殊的夾具，用于在介電彈性體薄膜的四邊夾緊介電彈性體薄膜。為了使介電彈性體薄膜能夠在二維平面內(nèi)實(shí)現(xiàn)任意拉伸，它被設(shè)計(jì)成X，Y向均可單獨(dú)運(yùn)動(dòng)。

使用雙向材料預(yù)拉伸機(jī)構(gòu)對(duì)介電彈性體薄膜的兩個(gè)方向按照一定的比例預(yù)拉伸后，在薄膜的上下兩面對(duì)稱地分別加上圓環(huán)形框架，然后在介電彈性體薄膜上下兩面的中心區(qū)域分別涂上石墨電極，使用錫紙做成導(dǎo)電線路，以便在石墨電極的上下兩面分別施加正負(fù)直流高電壓。構(gòu)建好的實(shí)驗(yàn)裝置如圖1所示。

2 高電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

圖1 介電彈性體實(shí)驗(yàn)裝置

為了測(cè)試介電彈性體薄膜的機(jī)電性能，需要對(duì)其逐步施加高電壓。本文設(shè)計(jì)的高電壓自動(dòng)控制系統(tǒng)主要由天津東文高壓電源有限公司生產(chǎn)的直流高壓電源以及具有PWM控制功能的單片機(jī)(mega128)組成，采用PWM高級(jí)控制模式，PWM信號(hào)的幅值和工作周期控制著輸出給介電彈性體的幾千伏直至上萬(wàn)伏的直流電壓。使用AVR單片機(jī)編寫(xiě)的PWM程序，可控制10kV可調(diào)的高壓基準(zhǔn)電源實(shí)現(xiàn)輸出電壓的自動(dòng)增加，用于逐步給介電彈性體施加高電壓。輸出電壓、電流值通過(guò)直流高壓電源上的數(shù)碼管進(jìn)行顯示。

AVR單片機(jī)的定時(shí)器可以輕松實(shí)現(xiàn)PWM功能。Mega128的timer0和timer2都具有PWM功能，timer0和timer2都是8位定時(shí)器。通過(guò)調(diào)整其占空比就可以達(dá)到改變輸出電壓的目的。Mega128單片機(jī)實(shí)現(xiàn)PWM功能的具體程序如下：#include ＜avr/io．h＞

#include ＜util/delay．h＞

#include ＜avr/interrupt．h ＞unsigned int pulse_width;

unsigned char step=0x02;

unsigned char pulse_width_MIN=0x00;

int main(void)

{

PORTB=0X00;

DDRB=0xff;

TCCR0|=(1 ＜＜WGM01)|(1 ＜＜WGM00)|(1＜＜COM01)|(0＜＜COM00)|(1＜＜CS01);

sei();

OCR0=pulse_width_MIN;

_delay_ms(600);

pulse_width=OCR0;

while(pulse_width＜0x7a)

{

OCR0+=step;

pulse_width=OCR0;

_delay_ms(3000);

}

OCR0=0x7f;

_delay_ms(200);

while(1){：}

}

3 圖像采集及處理系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

3.1 圖像采集系統(tǒng)的構(gòu)建

本研究通過(guò)圖像采集及處理系統(tǒng)測(cè)試介電彈性體薄膜的機(jī)電性能。構(gòu)建的圖像采集系統(tǒng)如圖2所示。攝像機(jī)采用AVT公司生產(chǎn)的Stingray F-504B/C，它是高性能的具有1394b接口的工業(yè)數(shù)字?jǐn)z像機(jī)，配備有一個(gè)500萬(wàn)像素的CCD傳感器，內(nèi)置諸多實(shí)時(shí)圖像預(yù)處理功能，可以得到很高的圖片質(zhì)量。Stingray F-504B/C攝像機(jī)通過(guò)支架被安裝在介電彈性體上方用于拍攝電極區(qū)域的變化。直流高壓電源的輸出直接連接到被測(cè)試的介電彈性體中心電極區(qū)域的上下兩面，給介電彈性體薄膜逐步施加高電壓，電極涂上石墨部分的材料面積隨著電壓的增加不斷變化。使用AVR單片機(jī)編程控制步進(jìn)輸入電壓從0V開(kāi)始施加到介電彈性體上，每隔5s增加200V直至增加到7 000V，在每5s結(jié)束時(shí)拍下快照，采集的介電彈性體圖像被分別保存到計(jì)算機(jī)硬盤(pán)中。隨后通過(guò)MATLAB程序分別打開(kāi)各次采集的圖像，自動(dòng)計(jì)算電極區(qū)域面積的變化量。

圖2 圖像采集系統(tǒng)圖

3.2 MATLAB圖像處理程序設(shè)計(jì)

3．2．1 設(shè)計(jì)主界面

在MATLAB命令窗口中輸入guide就可打開(kāi)GUI的快速開(kāi)發(fā)環(huán)境GUIDE。本文設(shè)計(jì)的程序主界面主要由5個(gè)位圖格式的圖片、3個(gè)編輯文本框和3個(gè)靜態(tài)文本框以及5個(gè)菜單項(xiàng)組成。如要改變最下方靜態(tài)文本框的屬性，首先選中該控件，然后點(diǎn)擊工具條上的屬性設(shè)置按鈕打開(kāi)屬性編輯器，當(dāng)然也可通過(guò)其他的方式打開(kāi)屬性編輯器，然后通過(guò)該編輯器為靜態(tài)文本框設(shè)置相關(guān)屬性?？丶奈恢煤痛笮】赏ㄟ^(guò)改變Position屬性中的值來(lái)調(diào)整，也可在GUI面板中用鼠標(biāo)拖動(dòng)控件來(lái)調(diào)整控件的位置和大小。此外，當(dāng)有控件需要對(duì)齊時(shí)，可以通過(guò)對(duì)齊編輯器進(jìn)行修正。

3．2．2 菜單設(shè)計(jì)及回調(diào)程序的編制

要建立用戶菜單可用uimenu函數(shù)，因其調(diào)用方法不同，該函數(shù)可以用于建立菜單條中的菜單項(xiàng)和子菜單中的菜單項(xiàng)。

建立菜單條的函數(shù)調(diào)用形式為：

菜單項(xiàng)句柄=uimenu(圖形窗口句柄，屬性名1，屬性值1，屬性名2，屬性值 2，…)

建立子菜單的函數(shù)調(diào)用形式為：

子菜單句柄=uimenu(父菜單句柄，屬性名1，屬性值1，屬性名2，屬性值2，…)

完成控件的布局之后，也就完成了整個(gè)圖形界面的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，接下來(lái)則是最為重要的功能設(shè)計(jì)，即要編制菜單、控件的回調(diào)程序。若要編制某一控件的回調(diào)程序，用右鍵單擊該控件，在彈出菜單中點(diǎn)擊View Callbacks，然后從子菜單中選擇一種激活回調(diào)程序的方式，就可以編制回調(diào)程序了，如Callback指單擊控件時(shí)激活回調(diào)程序完成一定的功能。菜單的回調(diào)程序在菜單編輯器的Callbacks文本框中給出。主要的回調(diào)程序如下：

%“圖像處理”菜單項(xiàng)的回調(diào)程序

Function m_file_deal_Callback(hObject，eventdata，

handles)

global img_1;

global img_2;

global BW3;

global BW6;

im=rgb2gray(img_1);

BW1=～im2bw(im);

SE=strel( ＇disk ＇，10);

BW2=imerode(BW1，SE);

BW3=imdilate(BW2，SE);

axes(handles．a(chǎn)xes3);

imshow(BW3);

im1=rgb2gray(img_2);

BW4=～im2bw(im1);

SE1=strel( ＇disk＇，10);

BW5=imerode(BW4，SE1);

BW6=imdilate(BW5，SE);

axes(handles．a(chǎn)xes4);

imshow(BW6);

%計(jì)算面積及變形率(“計(jì)算”菜單項(xiàng)的回調(diào)程序)

function m_file_js_Callback(hObject，eventdata，

handles)

global BW3;

global BW6;

s1=bwarea(BW3);

s2=bwarea(BW6);

ar=(bwarea(BW6)-bwarea(BW3))/bwarea

(BW6);

set(handles．edit1，＇string＇，ar)

set(handles．edit2，＇string＇，s2)

set(handles．edit3，＇string＇，s1)

legend( ＇y1 ＇);

function m_file_input_Callback(hObject，eventdata，handles)

在上面的MATLAB程序中使用im2bw函數(shù)進(jìn)行圖像二值化處理時(shí)，人為設(shè)定閾值并不總是十分有效，為此MATLAB工具箱提供了graythresh函數(shù)，該函數(shù)使用最大類間方差法得到一個(gè)閾值，將這個(gè)閾值施加到每幅圖像即可把它們轉(zhuǎn)換成二值圖像。提取出相應(yīng)于介電彈性體電極區(qū)域的圓環(huán)特征，計(jì)算構(gòu)成電極區(qū)域的像素?cái)?shù)，與未施加電壓時(shí)介電彈性體電極區(qū)域的像素?cái)?shù)目相對(duì)比，便可得到電極區(qū)域面積伸展率。圖像處理的流程如圖3所示。將計(jì)算出的面積伸展率作為Y軸，相對(duì)應(yīng)的電壓作為X軸，畫(huà)出介電彈性體電極區(qū)域面積的變化曲線圖。介電彈性體薄膜的不可壓縮性也意味著預(yù)伸展率和面積伸展率能用于計(jì)算正負(fù)電極間的間隙和相應(yīng)的電場(chǎng)力。程序運(yùn)行結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文構(gòu)建了介電彈性體機(jī)電性能測(cè)試系統(tǒng)，改變了以前手動(dòng)加壓、用尺測(cè)量介電彈性體變形量的方法，同時(shí)也克服了傳統(tǒng)方法中傳感器難以附著的技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了無(wú)接觸式的全新的測(cè)量方法。試驗(yàn)證明，該測(cè)試系統(tǒng)能夠自動(dòng)計(jì)算出介電彈性體薄膜中心電極區(qū)域的面積變化量，得出電極區(qū)域相對(duì)于電壓逐步增加的面積變化率。文中得到的介電彈性體的機(jī)電特性曲線，對(duì)介電彈性體性質(zhì)的研究工作具有重大的意義。

圖3 圖像處理流程圖

圖4 程序運(yùn)行結(jié)果圖

［1］ Bar-Cohen Y．Electroactive Polymer(EAP)Actuators as Artificial Muscle［M］．2nd．Washington：SPIE press，2004．

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［3］ Pei Q，Pelrine R，Rosenthal M，et al．Recent progress on electroelastomer artificial muscles and their application for biomimetic robots［C］//Bar-Cohen Yoseph．Smart Structures and Materials 2004：Electroactive Polymer Actuators and Devices．San Diego，CA：SPIE，2004：41-50．