静电吸附式爬壁机器人的吸附机理及实验研究

I 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 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。 关键字 ： 爬壁机器人；静电吸附； 梳齿 电极； 保形变换； 压电升压； on a of in of in of in of at in by of a be to a of it of to a of of to of in it as as to on of on is to be in of a on a of on We s on to of 录 摘 要 I 一章 绪论 1 面移动机器人发展概述 1 壁机器人简介及分类 1 外壁面移动机器人发展及研究现状 2 内壁面移动机器人发展及研究现状 6 题背景及研究意义 7 题主要研究内容 8 第二章 作用于壁面的柔性静电吸附机理研 究 9 电吸附的概念 9 质电极化的物理机理 9 电吸附特点分析 12 电吸附的电极型式 12 电场作用下的单电极静电场吸附力 13 齿电极型吸附物理模型的引入 17 于拉普拉斯方程的梳齿电极电容求解 19 角变化法求解梳齿电极 23 瓦兹 23 圆积分 23 面梳齿电极的电容分析 24 齿电极电场的研究 27 章小结 29 第三章 柔性静电吸附的仿真研究及实验分析 30 电吸附仿真研究 30 磁仿真软件简介 30 维静电场分析有限元基础 30 齿型电场的二维静电场分析 33 不同电极对数的梳齿电极电场电容仿真 33 同电极占空比梳齿电极的电场电容仿真 39 齿电极的电击穿研究 41 电吸附的测试实验 42 同壁面上的静电吸附性能测试 43 同电极型式的静电吸附测试 44 极的优化设计方案 45 章小结 46 第四章 高压静电发生器的研制 47 C 升压电路 47 端反激式升压电路原理设计 47 压关键元器件选择 51 路板的布线制作 52 圈升 压电路的吸附实验测试 53 电陶瓷变压器原理介绍 54 电高压模块升压原理及性能介绍 54 电高压模块吸附性能测试 56 章小结 56 第五章 双履带式爬壁机器人样机设计 58 履带式爬壁机器人整机设计 58 履带式爬壁机器人电路系统 62 履带式爬壁机器人样机测试 64 器人安全性能力学分析 66 章小结 68 结论 69 参考文献 70 攻读硕士学位期间发表的论文 76 致谢 75 第一章 绪论 1 第一章 绪 论 面移动机 器人发展 概述 壁机器人简介及分类 爬壁机器人是机器人大家族中的重要一员，其区别于一般机器人的重要特点就是需要克服重力作用稳定地吸附于 爬行表面上并自主移动，完成特定条件下 安全 作业。壁面移动机器人 目前已经 广泛应用于维护、检查、消防、救援、清洗、反恐侦测等多个 领域，在人为力量无法 企及的地方 ，发挥着不可替代的巨大作用，为人类社会创造巨大的经济和社会效益 。 爬壁机器人要在竖直或者倾斜壁面上作业 ，必须 同时兼具两个基本功能，吸附和移动。因此，爬壁机器人按此两种方式进行分类 ： 1) 按照吸附方式：负压吸附、磁吸附、仿生吸附，静电吸附。 2) 按照移动方式：轮式、履带式、足式 ，尺蠖式 。 不同的吸附方式 存在各自的优缺点，各自适应于不同的应用环境。如磁吸附方式，结构简洁，吸附力大，不受壁面粗糙度的影响，但是只能应用到导磁材料的壁面；负压吸附不受壁面材质限制，但是却对壁面粗糙度要求较高，壁面凹凸不平很容易使壁面 吸附失效， 吸附力也相对较弱， 运动噪音大，等等。对于以上分类列举的方式进行列表 1较 1,2。 针对各应用特点，开发爬壁机器人时应该根据爬壁机器人将要适用的环境条件选择合适的吸附 和运动方式， 近 年来爬壁机器人在反恐侦测领域的应用越来越广泛，传统的壁面机器人在壁面适应性、功耗、噪音等方面已经无法满足新形势下的应用要求，因而迫切 需要一款噪音低，功耗小，壁面适应范围广，能长时间续航 ，实现远程脱缆执行任务的壁面 移动 机器人。将静电吸附应用到爬壁机器人上， 在满足上述条件上具有很大的潜在 可行 性，可作为重点研究，攻克其关 键 技术难题，以求得能发展出一款真正应用到反恐领域的壁面移动机器人。 华南理工大学硕士学位论文 2 表 1壁机器人吸附方式特点比较 吸附方式 说明 特点 适合 移动方式 磁吸附 依靠永磁铁或电磁铁的磁吸附力产生吸附 吸附力大，无需消耗能量（永磁铁）或者只消耗电能，噪音大。 履带式 负压吸附 依靠真空发生装置，如气泵等产生负压，依靠吸盘内部与外界大气压差产生吸附。 壁面适应范围广，但是对壁面粗糙度要求较高，噪音大。 腿足式 正压吸附 依靠机器人自身装置产生背离墙面方向气体，在反作用力下实现机器人吸附。 可实现小型化、轻型化、但是推力行程有限，且易受外界环境影响，噪音大，可靠性差。 轮式、履带式 仿生吸附 利用人造的仿生纤毛材料（纳米级）与壁面间通过范德华力吸附。 壁面适应范围广，无噪音，但是仿生足制造难度大，难以实现市场化。 履带式、足式 静电吸附 借助静电吸附力吸附在竖直壁面或者天花板上。 能适应多种壁面材质，噪音小，但是不适应于潮湿环境。 足式、履带式 外壁面移动机器人发展及 研究 现状 爬壁机器人在工业、军事、民用领域的突出 表现，引发各发达国家相继投入大量的人力、物力，致力于爬壁机器人的科研研究，如美国、日本 、俄罗斯、英国、德国等等，已经 相继 开发出 多个 类型的爬壁机器人 ，并且走出实验室， 活跃在社会生活 、生产的各个角落。 日本 是最 先在世界上进行爬壁机器人研究 的国家， 早 在 1966 年，日本大阪府立大学工学部的西亮成功制作 了 第 一款负压吸附壁面移动机器人， 利用电风扇进气 端 低压第一章 绪论 3 空气 产生的负压 效应，在内外压差作用下 实现机器人的 吸附 ，并在 1975 年以实用性为目标成功制作出 二号样机， 该代样机 采用改进的 单个大吸盘结构，整个机器人更加稳固 地贴附在壁面上； 在移动方式上，利用履带机构实现爬壁机器人在垂直壁面上的移动功能。 日本光荣公司研制 了一种多吸盘爬壁机器 人 ,该机器人装有两组真空吸盘 ,如图 1示。机器人本体上自带两个真空泵、电池、控制系统和无线通讯 系 统。机器人一次充电可以工作约 30 工作范围为距遥控天线 10 最大行走速度为 30 用于高大建筑物墙壁的检测 ，清洗 工作。 1997 年俄罗斯 莫斯科机械力学研究所研制出用于大型壁面和窗户清洗作业的爬壁机器人 ， 采用单吸盘结构。如图 1示 ， 该机器人 同样 利用风机产生真空负压来提供吸附力 ， 不同的是在移动方式上，机器人 吸盘腹部装有 4 个驱动轮 ,使得 机器人可在壁面全方位移 动 ，更方便空间作业 3。 图 1- 1 多吸盘爬壁机器人 图 1- 2 俄罗斯单吸盘清洗爬壁机器人 在磁吸附方面的研究技术上， 1984 年，日本日立制作所的内藤绅司等人研制了磁吸附 式 爬壁机器人， 采用脚式移动 方式 ， 如图 1配 备 8 只 永磁体的 脚，通过内侧四只脚和外侧四只脚的交替 变换吸附在 壁面上，实现机器人在壁面上的前进 、 后退 、移动，通过内 外 框之间的相对转动，实现机器人的 转向，每条腿相对于壁面可 以作直线运动，机器人的最大移动速度可达到 100mm/s4。 华南理工大学硕士学位论文 4 图 1行式磁吸附爬壁机器人 日本钢管株式会社 (发了车轮型磁吸附 壁面移动 机器人， 如图 1它可以吸附 油罐、船体等 各种大型构造物上，代替人工进行 检查或者维修 作业， 机器人靠磁性车轮贴附在壁面上， 手臂用来夹持作业工具， 由 两台直流电机分别驱动左右两组车轮， 机器人 行走平稳，移动速度快， 并具有较强的 壁面适应能力 5。 图 1轮式磁吸附爬壁机器人 1995 年 ,日本宫崎大学的西亮教授研制成功了用螺旋桨驱动的飞行爬壁机器人，该机器人 借鉴航空技术， 采用两个螺旋桨产生向上的推力和指向壁面的贴附力 ，由于推力始终指向壁面，因此机器人可以实现越障 。 1997 年，他们又继续开发了一种能够作短暂飞行后 停 附在壁面上的爬壁机器人，该机器人采用 两个主螺旋桨提供推升力，同时增加 八个小螺旋桨 用于 控制机器人的飞行姿态，该机器人 在无线电遥控操作下 几乎能够在任何工况下进行工作 ， 如图 1示 3,6。 第一章 绪论 5 图 1行机器人 在仿生吸附方面，以 美国斯坦福大学的 验室在 2006 年开发出仿壁虎机器人 列为代表，如图 1该 机器人自重 只有 450g，采用仿生吸附方式。机器人每个足部有四个脚趾，趾底附 着 有仿壁虎足部纤毛的表面材料。机器人脚掌通过附着在掌上的软脚筋实现展平 和外翻 ，使脚掌能够与壁面 实现 最大面积 的附着 接触7。 图 12007 年， 日本东京大学首先提出 柔性电极概念， 采用柔性电路板工艺的柔性电极 ，在此基础上研制完成了两部原理样机 ，图 1原理样机 I 型， 利用 平面 双 电极作为吸附装置，通过 尺蠖形式 的运动使之 能够在垂直导体壁面上行走， 机器人总重 327g，移动速度 s， 机器人长 130 75片电极总 12g， 在 电压下最大载荷 750g。图 1原理样机 ，采用 梳齿 电极作为吸附装置， 采用履带驱动 方式， 能够在绝缘壁面上行走，例如玻璃壁面。机器人移动速度 7mm/s 速度，但由于没有连续电极引导机构，机器人每行走 4 秒就需要 12 秒的间隔进行高压离子充华南理工大学硕士学位论文 6 电，以保持电极的吸附 力 1,8。 图 1理样机 I 型 图 1理样机 内 壁面移动机器人发展及 研究 现状 国内早期研制的爬壁机器人大多集中于建筑幕墙清洗作业。 1994 年哈尔滨工业大学机器人研究所开发了用于高楼壁面清洗作业的 列 爬壁机器人 ，采用单吸盘吸附和轮式移动机构，机器人 通过 电力 线载波实现 本体和地面控制站 之间的通讯联系 ，该机器人 清洗效果较好， 移动速度快， 但是 缺点是 不能 跨越障碍 或者不同壁面间的过渡 ，如图 1； 1996 年 以来 北京航空航天大学机器人研究所研制了 蓝天洁士 等系列真空吸附足式擦窗机器人，如图 1示 3，技术上 采用全气动驱动的框架式移动机构，多足多吸盘吸附方式， 能在一定程度上适应 玻璃壁面的凹凸 不平 ，清洗效果也较好、智能化程度高， 缺点是 移动速度慢、结构复杂且 制作成本也较 高；近 几年 上海交大也设计了一种依靠壁面牵引实现机器人移动的壁面清洗机器人样机，机器人 依靠 腹部的两个吸盘交替抬起吸附从而实现跨越水平窗框障碍运动 ， 如图 1 图 1工大 图 1航蓝天卫士 图 1交大爬壁机器人 以上所述爬壁机器人采用负压吸附 吸附，重量和体积都比较大，而且还需要提供额外的辅助装置，如气泵，电源等等，难以实现轻量化及远程工作 10。 第一章 绪论 7 对 于新型的静电爬壁机器人，国内大学也相继展开研究，目前成果，哈尔滨 工程大学制成第一款静电爬壁机器人，如图 1示，采用单履带式移动结构，铝箔为电极， 可以在 室内石灰壁面上稳定爬行。 图 1尔滨 工程大学静电爬壁机器人 题背景及研究意义 本课题 是 作者 在中国科学 院深圳先进技术研究院 实习的过程中 完成 的 。 爬壁机器人作为机器人大家族中的重要一员， 将吸附与壁面移动有机结合，摆脱了传统机器人只能在地面活动的局限性，扩大了机器人的作业空间， 在社会工业、军事、生活中发挥着 日益重要的 作用 。 尤其 在 帮助人类完成无法企及的极限作业 上 ， 将人类从恶劣的环境和繁重的劳动中解放出来，从而降低人力资源成本，提升劳动生产效率 。 目前，壁面移动机器人的应用领域主要包括： 1) 核工业 检查废液贮藏罐，包括视觉检查，罐厚度检测及焊缝探伤等。 2) 石化工业 主要用于圆形大罐或者球形外罐内外壁的喷砂除 锈、喷漆防腐等方面。 3) 建筑行业 主要用于高楼壁面的喷涂，玻璃壁面的清洗等工作。 4) 消防部门 主要用于灾后搜救及向灾区的物资运送。 5) 军事领域 用于反恐侦测，监测恐怖环境。 经过几十年的努力，各国壁面移动机器人已经取得蓬勃的发展，但是这些发展主要局限在磁吸附、负压吸附等传统吸附方式上。 随着 近 年来国际国内恐怖形势的加剧，传统爬壁机器人在多壁面适应性，长时间续航，功耗等方面越来越显示出其局限性，特别需要 发展出新型的满足 反恐应用的 壁面移动机器人。 华南理工大学硕士学位论文 8 本课题研究 的 静电吸附原理的壁面移动机器人 。 静电吸附在工业上早有应 用，但是衍生至机器人领域，无论在国内，还是国外，目前还处于初始研究阶段，但是已经展现出来可利用的巨大潜力，利用静电吸附，有力地弥补以往吸附方式的不足，当然也出现了某些新的问题，本文则是 针对爬壁机器人的适用环境，对静电吸附方式展开从原理到 实验 可行性的 分析 研究，在吸附基础上，开发双履带式静电爬壁机器人，最终实现机器人样机在竖直壁面上的稳定移动。 题主要研究内容 分析现有各吸附类型爬壁机器人的发展现状， 对基于静电吸附原理的壁面移动机器人展开原理上的分析，开展可行性实验，并最终制作样机进行实地测试。主要内容包括： 1) 吸附电极与壁面的吸附机理研究。明确静电吸附的吸附机理在于 壁面介质处于 高压电场下 可 发生极化反应，对极化现象进行研究，在此现象基础上推导电极与表面间的吸附力数学模型，分析影响吸附的关键因素，提出 梳齿 电极形式，利用 拉普拉斯方程法， 施瓦茨 成对 梳齿 电极吸附电容及 电场 的数学建模。 2) 对理论分析的结果，利用 真软件模拟分析，建立电极的物理模型，利用有限元法，分析出不同形式 梳齿 电极的电场分布及电容矩阵，从电容矩阵角度描述电极间的吸附电容，间接验证 梳齿 电极占空比，电极对数 对吸附力的影响关系。 3) 设计制作静电吸附高压静电发生器。提出线圈升压式及压电变压式两种高压发生器。设计线圈升压电路原理图，对关键元器件进行选型，分析电路的作用过程，调试电路以期最后升压最大。分析压电升压模组的原理，对该模组在 本课题 中的适用情况做 出说明。 4) 双履带式静电吸附爬壁机器人 样机设计及制作。结合静电吸附的特点，设计双履带式壁面移动机器人。包括机械结构的设计加工， 柔性 履带 梳齿 电极的设计加工，以及单片机控制电路，无线遥控设备的搭建。最后，对完成的样机进行整机性能测试，机器人在木质竖直壁面上稳定攀爬，完成本课题 目标。 第 二 章 作用 于壁面 的 柔性 静电 吸附 机理 研究 9 第二章 作用于壁面的柔性 静电吸附机 理研究 电吸附 的概念 静电吸附现象在生活、工业中广泛存在。常见的静电吸附指当带静电物体靠近不带静电的物体时， 由于静电感应，没有静电的物体内部 在 靠近带静电物体的一边会产生与带电物体所携带电荷 极性 相反 的电荷（另一侧产生相同数量的同极性电荷），由于异性电荷互相吸引，就会表现出 “静电吸附” 现象。 利用静电发生器产生的静电施加在要吸附的物体上，物体立即带上静电并吸附在物体上，使原来不平整 ， 四周向上翘起不平的物体如织布、纸等加上静电后能平整地吸附在金属板、木板等上以便进 行下一步的操作，这种方法在钢材生产、木材生产和模具 等行业 中有广泛的应用。 其次，还有一种静电吸附并不是基于静电感应原理， 而是 基于静电场下介质的极化反应。 根据电介质材料在高压电场中被极化，产生静电场的原理来实 现吸附的，对满足电性能指标的电极板施加高压电源，若电介质材料在 高压下内部分子结构达到极化条件，可获得良好的吸附效果 11。此静电吸附技术在数控绘图仪中有成熟应用，可以成为本课题的借鉴。 在本课题的研究中，应用于爬壁机器人的静电吸附技术， 对应 的吸附介 质 为 石灰、木板 、玻璃 等壁面，属于绝缘介质， 吸附原理与上述极化 反 应静电吸附方式相 同 ， 是对加载于爬壁机器人机体上的导电电极施加高压静电，机器人与壁面贴合，壁面 电介质 在高压静电场下 发生物理极化，产生 与极板自由电荷极性相反的 极化电荷， 通过 电荷 间 库伦力相互作用，发生吸附，因此壁面产生极化电荷是吸附的物理基础。 质电 极化的物理 机理 电介质 是 以在电场中能被极化，并能在其中建立静电场为基本特性的 一 大类物质。从物质的微观角度，电介质可划分为非极性电介质以及极性电介质两类。非极性电介质指在无电场作用情况下，分子的正负电荷中心相重合的物质。极性电介质指无电场作用下，分子的正负中心 不重合，分子具有偶极矩的物质。在静电学中，经常涉及到的有机绝缘材料如聚乙烯、石蜡等为非极性或者弱极性介质，而像橡胶、纤维、酚醛树脂等为极性介质材料。 电介质的带电粒子是被原子、分子的内力或分子间的力紧密束缚着，因此这些粒子的电荷为束缚电荷。假设将 电介质 置入 外电场 ，则束缚于其原子或分子的 束缚电荷 不会流过电 介 质，只会从原本位置移动微小距离，即正电荷朝着电场方向稍微迁移，而负电华南理工大学硕士学位论文 10 荷朝着反方向稍微迁移 ， 造成 电介质 电极化，从而在电介质内部产生反抗电场，减弱整个电 介 质内部的电场。假若 电介质 是由 弱键 的 分子 构成，则这些分子不但会被电极化，也会改变 取向 ，试着将自己的对称轴与电场对齐 。 组成物质的原子、分子结构不同，电极化的原理 也不同，可分为电子极化、 原子（离子） 极化、取向极化三种 。 1) 电子极化： 在外电场作用下， 原子的电子云相对于核发生一定的位移而形成感应偶极矩的现象称为电子 极化 。此极化过程建立或者消除 的时间极短，约为 10 10外电场强度越大，极化反应越激烈。 2) 原子（离子）极化： 在外电场作用下，构成介质分子的原 子（或原子基因），或没有离解的正负离子发生相对位移形成的极化（出现感应偶极矩），称之为原子（离子）极化 ， 这也是一种弹性联系极化。离子极化的建立或者消除的时间很短，约为 10 故常将原子极化并入电子极化考虑。 3) 偶极转向极化：当极性分子受到电场作用而转动定向时，整个分子固有偶极矩在电场方向形成合成偶极矩，使介质表面出现感应束缚电荷，这就成为偶极转向极化 ，由于偶极转向极化受到分子热运动的阻挠，因此建立和消除极化所需的时间（称之为松豫或者驰豫时间）较长，约为 10，故又称之为驰豫极 化 12。 上述几种电极化机制并不互相排斥 ，实际过程中的极化是以上述各类极化的叠加 。对于本课题静电吸附式爬壁机器人而言，机器人的作业环境中多为建筑石膏 或者涂 有腻子的 壁面，或者木制、玻璃壁面，对于上述壁面材料，石膏的化学成分为 硫酸钙 （ ，相对介电常数为 玻璃 的介电常数为 5，是相对难发生极化反应的材料 ， 而对于木材， 由于木材中存在处于束缚状态和自由状态的两种离子，因此 木材在电场中发生极化，属于极性电介质，绝干木材的介电常数约为 2。 这些物质 在 外加电场中都可以发生电子极化 、原子（离子）极化和 偶 极转向极化 。 在电介质物理学当中，定义单位体积内电介质分子电偶极矩的向量和为电介质的极化强度 P 。 = （ 2- 1） 极化强度是表征介质在电场下极化强度的物理量。作用 在 外电场中的电介质，一 方面内部感应电 偶极矩，另一方面介质表面产生束缚电荷，表面束缚电荷的多少表征了介第 二 章 作用 于壁面 的 柔性 静电 吸附 机理 研究 11 质被外加电场极化的反应强度，因此 与束缚电荷存 在一定 关系 11。 电 介 质 因响应 外电场 的施加而 极化 的程度，可以用电极化率来衡量。从电极化率又可以计算出 电介质 的 电容率 。 按照电学中关于电位移的定义，它与电极化强度 P 存在如式 （ 2的 关系 0D E P （ 2- 2） D 为电位移 矢量， E 为电场强度。如果像在多数电介质的情况那样，在无外加电场时极化强度 P=0，则在式 （ 2中 P 可以认为是电场强度 E 引起的一种响应，它们的关系为 0 （ 2- 3） 在各向同性线性电介质中 为标量常数， 称之为极化率，同时根据电位移与电场间的关系式 0 （ 2- 4） 由 式 （ 2， （ 2， （ 2推算得 =1+ （ 2- 5） 因此在物理意义上，用相对介电常数 或用宏观极化率 来描述物质的介电性质是等价的，两者只相差常数 1，因此在后续的讨论中， 只以壁面介质的介电常数作为讨论对象。 在静电吸附中，壁面 作为 主要 电介质，在外加电场作用下发生极化反应，为便于研究，将壁面介质理想化为均匀、线性、各向通行的介质，其具有如下极化规律： 1) 极化现象存在时的总电场 是 外加电场与壁面内极化电荷产生的电场的叠加 = + e （ 2- 6） 一般极化电荷产生的电场与外电场方向大致相反，以抵消外电场的极化作用，故又常称其为退极化场。 2) 极化电荷电场对电介质自身也有作用，影响其电极化状态。 3) 电介质体内极化电荷体密度处处为零，极化电荷只能分布在表面上 。 4) 即使是对 于均匀、各向同性的电介质，虽然极化强度与总电场有简单的正比关系，但是仅从电场出发，严格求得解析解也是困难的，难点在于无法根据外电场确定极化强度是如 何分布的。 华南理工大学硕士学位论文 12 电吸附特点分析 从静电吸附的产生机理分析，可以总结出静电吸附具有以下特点。 1) 静电吸附的产生源于电场作用，不像负压吸附，需要气泵等复杂的辅助装置产生吸附源， 应用 结构简单。 2) 静电吸附基于介质的极化反应，需要一定的反应时间， 即驰豫时间， 但是可以长时间续航，即使在断电情况下，也可以保持一定时间的吸附力。 3) 静电吸附可控性强，可以通过 控制施加的电 压，电流，以及作用面积等控制吸附的效果。 4) 静电吸附噪音小，或者几乎没有噪音，这一点在军事反恐应用上很重要。 5) 可适用 于 多种介质的壁面，无论是绝缘材料，还是导体，半导体，均可在适当的电压条件下实现吸附。 6) 静定吸附的缺点是容易受到环境湿度的影响， 静电吸附 作用在 高压电场 下 ，很容易发生尖端放电，或者将空气电离等现象，特别是在潮湿环境中。 7) 使用静电吸附要特别考虑操作的安全性，严格防止高压触电，即使本课题中的高压触电只是让人稍微感觉麻木 ， 也 要佩戴安全手套。 8) 目前使用的静电吸附力相对于磁吸附，负压吸附等，吸附力还比较弱，因 此，静电吸附应用到爬壁机器人上，机器人设计重量应尽量小。 电吸附的电极型式 借鉴工业中的静电吸盘 技术，典型的静电吸附电极形状包括单电极、梳 齿 电极 两种形式 ，静电吸附不仅可以用于导体材料，在其他非导体材料，如玻璃，陶瓷上 ，也可以有效利用 。 如图 2单极性 13静电 吸盘 结构原理图， 金属电极包络在电介质层中， 以前的吸盘用的电介质多为有机材料或阳极氧化层，现在已普遍采用陶瓷。 吸盘靠电极与硅晶体中的异性电荷相吸发生吸附。 在没有 对硅晶体喷射 等离子体的情况下，当 电极被接通到静电 高压（低流）直流电源后，电介质的表 面会产生极化电荷 ，靠近晶体侧为聚集的极化负电荷， 电介质的 这些 表面电荷会产生电场，进一步在置于吸盘之上的晶片表面产生极化电荷 ， 也可能包括部分自由电荷 。 产生极化电荷还是自由电荷 取决于什么样的晶片及晶片表面是什 么膜， 是 导电性 的还是 绝缘 的 ，分布在晶片背面的电荷与分布在吸盘上面的电荷极性相反，这样晶片 就 被 吸盘吸住了。 如果关掉被接通到直流电极的高压（低第 二 章 作用 于壁面 的 柔性 静电 吸附 机理 研究 13 流）直流电源，假若分布在晶片背面的电荷与分布在吸盘上面的电荷都是极化电荷，则晶片就被释放了，即吸力自动消失。假若分布在晶片背面的电荷与分布在吸盘上面的电荷中有一部分是自 由电荷，即使关掉被接通到直流电极 的 直流电源，则晶片也不会完全被释放，即因残留电荷而仍存在一定的静电吸力。这种情况下，通常需要用反向的静电压来强制消除残留电荷，然后才能释放晶片 14。 图 2极型静电吸附 图 2齿电极型静电吸盘 与单极性吸盘不同，梳齿 电极是由多个正负电极交叉而成的电极结构。 梳齿 电极是由最简的双面电极形式发展衍化而来 ，电极工作表面在同一平面内时，又称为共面梳齿结构 。如图 2示，在电介质层中镶嵌有 三 对正负相邻的金属电极，相邻正负电极间产生共面散射场，在非均 匀场强作用下，电介质极板发生极化反应， 感应出极化电荷，此 极化电荷，同时又作用在硅晶体表面，使硅晶体表面带上与极板电性相反的电荷，通过库伦力作用实现吸附。若增加电极对