静电吸附模块设计及实验研究文献综述

文献综述：

研究背景：

机器人技术无疑减轻了人类的劳动强度，提高了生产效率，增加了人类财富，丰富了人类生活。而爬壁机器人更是使得人类从部分具有高空危险的环境中解救出来。爬壁机器人又名壁面移动机器人，因为其具有的垂直壁面移动能力，国外又称之为极限作业机器人。爬壁机器人顾名思义，是一种能够携带一定质量任务设备，能在斜面(与水平面成一定角度)、墙壁(竖直表面)、天花板(与水平面成180°)等各种角度表面移动并能完成一定功能任务的复杂机电系统，是机器人领域中具有举足轻重地位的一员^[1,2]。

近年来，在城市反恐、灾区救援以及危险环境作业等方面的广阔应用需求促进了机器人的快速发展。国内外对于空中飞行机器人和地面移动机器人的研究已经比较成熟，但是对于飞行和空中物体表面吸附栖息的两栖机器人的研究还比较少。吸附的功耗远低于飞行，解决了空中机器人限于空中飞行且功耗高，也不适于高层建筑等的侦查应用需求等问题。同时当飞行吸附两栖机器人栖息在物体表面执行任务时，噪声很低，隐蔽性强。这都对吸附装置提出了迫切的需求。因此，需要开发设计一种利用静电及仿生机制的吸附装置，并进行相关装置的结构优化设计，实现实用化。

研究目的与意义：

随着科学技术的不断进步和发展，机器人技术已经广泛应用于工业、农业、医疗等各个领域^[3]。同时随着灾难搜救、太空探测、军事侦察等需求的提出，机器人研究的领域已经不再局限于结构环境下的定点作业^[4]。这无疑使得爬壁机器人的应用领域越来越广，其越来越受到人们的青睐，对其的研究也越来越受到人们的重视。与地面移动机器人相比，爬壁机器人对环境的适应能力更强，其能具有更广阔的视野，更灵活机动;与飞行机器人相比，爬壁机器人的隐蔽性更强，噪声更小，伺服时间也更长，更能适用于灾后搜寻救援、反恐环境侦测、墓室探寻等任务要求^[1-7]。

传统的吸附方式，如磁吸附、负压吸附、正压吸附等，在面对灾后环境侦测及救援、反恐环境勘察等活动中，都存在不同程度的缺点，无法满足环境的苛刻要求^[6-11]。近几年，国内外又形成一种新型的静电吸附式爬壁机器人，该类机器人在安全稳定，低噪音、低功耗，能长时间续航等方面具有其他吸附方式壁面移动机器人无法比拟的优势^[12-14]。

因此，本次实验研究旨在开发设计一种利用静电及仿生机制的吸附装置，并进行相关装置的结构优化设计，实现实用化。

国内外研究现状与发展趋势：

现有的机器人吸附方式包括磁吸附、负压吸附、正压吸附、仿生吸附、静电吸附等。在实用性方面，它们各有其优势，也有其局限性^[1,5-10]。

国外关于机器人吸附方面的研究可概述如下：日本大阪府立大学工学部的西亮教授于1966年以电风扇进气端产生的低压为基础，利用由此产生的内外气压差使机器人吸附于垂直壁面。经过改进，1975年，他又研制出了更为实用的以单吸盘结构为基础的第二代机器人样机，这两代样机是负压吸附方式的鼻祖。此后的真空负压吸附技术方面，韩国SungKyunkwan大学在该国建设与交通运输部的项目支持下开发出LARVA机器人用于建筑物视频检测，使用普通的离心风机制造枪内负压；美国纽约城市大学在美国国家自然科学基金与军方的支持下开发出CityClimber I型和II型机器人，可在多种复杂壁面上工作；意大利Catania大学Domenico Longo等人研制了大型石化工业建筑检测系列的机器人，其风机负责产生机器人内部的真空从而实现吸附^[1-3]。磁吸附方面，西班牙CSIC大学的工业自动化研究所研制出两种磁吸附机器人，Shigeo HIROSE等人设计了永磁吸附轮式爬壁机器人（Disk Rover）。仿生机器人模仿生物（主要是壁虎）的吸附机理或者肢体结构。在这方面，美国斯坦福大学研制的仿生机器人“Stickybot”足底有人造橡胶制成的人造毛足够确保足底与壁面间的范德华力达到最大化；卡耐基梅隆大学研制出的机器人“Geckobot”，其高分子吸盘可根据情况从壁面脱离，运动灵活^[1-7]。柔性电极概念由日本东京大学首次提出，并制成两部样机，从此静电吸附方式开始应用于爬壁机器人领域。2008年美国斯坦福大学SPI公司利用薄膜式电极制成的吸附装置研制出Tank-type robot，可在导体面及非导体面移动；2012年日本东京大学制成了吸附与驱动均为静电力方式的爬壁机器人样机，均采用履带式结构能够在水平天花板上保持吸附状态且具有一定的壁面过渡能力^[1-7]。

国内关于机器人吸附方面的研究可概述如下：国内关于爬壁机器人的研究起步较晚，较早研制成功的爬壁机器人当属20世纪90年代哈尔滨工业大学在国家“863”高技术计划支持下完成的两个系列五种型号的爬壁机器人。在负压吸附方面，哈尔滨工业大学研制了一系列反恐侦察机器人，负压系统由离心风机和离心风扇组成，重量轻、小型化、无线化且噪音低；北京理工大学智能机器人研究所发展了负压爬壁机器人“BitClimber”，采用机器人专用的离心叶轮，可在多种壁面上工作^[1-4]。磁吸附方面，哈尔滨工业大学研制了一种用于维护锅炉水冷壁的多功能爬壁机器人，负载、工作性能较高；上海交通大学提出了一种检测储油罐的爬壁机器人，使用永磁铁吸附和履带式的移动方式，可自动除锈、涂装，具有很高的实用意义^[1-8]。仿生吸附方面，南京航空航天大学的戴振东等发展了壁虎仿生机器人，采用腿式移动方式和CPG控制，脚掌上布满了类似壁虎脚掌的刚毛，可紧密吸附在壁面上；珠海新概念航天航空有限公司李晓阳博士和他领导的研究小组研制出壁虎仿生机器人“神行者”，可在各种建筑物墙面、地下和墙缝中垂直上下迅速攀爬，或在天花板上倒挂行走，且可以规避障碍物^[1-9]。对于近几年新兴出现的静电吸附方式，国内高校也开展了相应的研究。较早的当属哈尔滨工程大学研制的单履带式静电吸附爬壁机器人，该机器人柔性电极膜上的电极由铝箔制成，电极上加有高压静电，使得机器人能够在室内石灰壁面上移动；2010年，哈尔滨工业大学的黄之峰设计出“零牙肆号”单履带爬壁机器人，该样机与哈尔滨工程大学的样机较为相似。黄之峰根据平板电容器模型，分析研究了影响静电爬壁机器人吸附力大小的因素，并提出了共面双极型吸附电容的计算方法及相应的吸附力的计算式^[1-6]。2011年，华南理工大学的王黎明等人，研制出双履带的静电爬壁机器人。该样机的左右两侧履带均由静电吸附膜构成并受各自的电机控制，通过左右电极速度的调控，使左右两侧履带形成速度差，从而可实现爬壁机器人的直线行走，还能实现转向掉头等运动。这款样机总质量570g，直线速度0.1 Sm/s，机器人上配有无线遥控平台，可实现机器人的无线控制，但柔性电极吸附膜与电机带动的辊轴之间是通过摩擦带动的，故而电极膜容易被磨损^[1,12-15]。

参考文献

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