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静电吸附式爬壁机器人的吸附机理及实验研究

王黎明  
【摘要】:壁面移动机器人由于其能够在竖直壁面上爬行的特殊性,在核能、石化、建筑等诸多行业有着广泛的应用,近年来,随着国际反恐形势的严峻化,爬壁机器人在协助军事反恐中又展现出新的应用价值。本课题在分析和总结目前国内外爬壁机器人发展的现状及其优缺点上,将静电吸附原理应用到爬壁机器人吸附方式上,进行可行性实验分析,设计出一种噪音小,能耗低,适应壁面范围广,安全可靠的新型静电吸附式壁面移动机器人。 首先,明确介质的极化是产生静电吸附的物理机理,进而建立单电极、梳齿电极两种电极吸附类型的数学模型,通过拉普拉斯方程,保角变换等数学分析方法,求解吸附电场的解析表达式,分析影响静电吸附效果的关键因素。 其次,利用Ansoft Maxwell有限元分析软件,对二维梳齿电极的静电场进行仿真,模拟不同占空比、不同电极对数差异下吸附电场的变化趋势。对不同电极对数和几何拓扑结构的电极及其在不同壁面材质上的吸附状况进行对比测试,提出电极的优化设计方案。对比分析单端反激式及压电变压式两种升压电路所产生的高压在静电吸附效果上的差异,结果表明压电升压式能更好地适用于爬壁机器人静电吸附中。 最后,在理论研究基础上设计并制造双履带式爬壁机器人,以吸附电极膜为履带,主要包括柔性梳齿电极吸附膜设计,机器人本体结构设计以及机器人控制电路的设计。经实验测试,该双履带式爬壁机器人可在竖直的木板壁面内稳定爬行。同时,分析机器人吸附作业时的安全性能,对在竖直壁面上的两种失效情况展开受力分析,提出防止机器人失效的改进措施。


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