功能材料驅(qū)動(dòng)的微小型負(fù)壓吸盤研究.pdf

1、爬壁機(jī)器人的關(guān)鍵技術(shù)是機(jī)器人本體與壁面的可靠吸附，負(fù)壓吸附由于其環(huán)境適應(yīng)能力強(qiáng)、吸附可靠而得到廣泛應(yīng)用。隨著微小型移動(dòng)機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域的不斷拓展，現(xiàn)已出現(xiàn)這樣一種需求，即用能夠吸附到垂直或傾斜壁面的微小型爬壁機(jī)器人代替人工到對(duì)體積要求嚴(yán)格的場(chǎng)所作業(yè)。要設(shè)計(jì)微小型爬壁機(jī)器人，首先應(yīng)實(shí)現(xiàn)負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)的微小型化。由理想氣體狀態(tài)方程，產(chǎn)生負(fù)壓有兩種方法：在吸盤體積不變時(shí)可用氣泵抽取吸盤內(nèi)的空氣，另外一種是在密封狀態(tài)下施加外力使吸盤變形產(chǎn)生負(fù)壓。雖

2、然使用傳統(tǒng)的機(jī)電式驅(qū)動(dòng)器可以達(dá)到上述目的，但其功重比隨體積減小急劇下降，新型功能驅(qū)動(dòng)材料的發(fā)展則為設(shè)計(jì)微小型負(fù)壓吸附機(jī)構(gòu)提供了體積小、功率密度高的新型驅(qū)動(dòng)器。在微流控領(lǐng)域廣泛應(yīng)用著一種功能材料驅(qū)動(dòng)的微泵，可以考慮用能夠傳輸氣體的微泵代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)電式氣泵，將其集成到微小型吸附機(jī)構(gòu)中來(lái)產(chǎn)生負(fù)壓。另外在自然界中，還有許多生物其吸附器官中并沒(méi)有具有氣泵功能的結(jié)構(gòu)，而僅依靠吸盤變形產(chǎn)生負(fù)壓自如的吸附或脫離被吸附面，因此還可以模仿生物負(fù)壓吸附器官結(jié)

3、構(gòu)特點(diǎn)設(shè)計(jì)微小型仿生吸盤。本文根據(jù)上述兩種設(shè)計(jì)思路，在國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目——基于SMA驅(qū)動(dòng)的微小仿生多腔無(wú)源負(fù)壓吸盤研究(60675052)的資助下，分別設(shè)計(jì)研究了功能材料驅(qū)動(dòng)的微泵吸盤和微小型仿生吸盤，主要研究?jī)?nèi)容如下：
　　 (1)提出了功能材料驅(qū)動(dòng)的微小型仿生吸盤應(yīng)該具備的基本結(jié)構(gòu)，研究了形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動(dòng)器的驅(qū)動(dòng)性能。研究發(fā)現(xiàn)具有活塞式結(jié)構(gòu)的柄狀吸盤適合作為仿生對(duì)象，根據(jù)該生物吸盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，微小型仿生吸盤應(yīng)由

4、空腔、彈性體邊緣、剛性支撐體以及人工肌肉組成，并選擇輸出位移和輸出力大的SMA驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)該吸盤，在Tanaka系列SMA材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立了SMA驅(qū)動(dòng)器的熱動(dòng)力學(xué)模型，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該模型可以有效的預(yù)測(cè)SMA驅(qū)動(dòng)器的溫度和位移響應(yīng)。對(duì)偏動(dòng)式SMA彈簧驅(qū)動(dòng)器和雙程記憶效應(yīng)(TWSME)彈簧驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)特性的研究結(jié)果表明，它們的輸出位移和響應(yīng)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)電流以及負(fù)載的大小有關(guān)。
　　 (2)設(shè)計(jì)了SMA驅(qū)動(dòng)微小型仿生負(fù)壓吸盤，并

5、研究了該吸盤的負(fù)壓響應(yīng)、吸附特性和控制方法。根據(jù)生物柄狀吸盤的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，首先分別采用TWSME彈簧驅(qū)動(dòng)器和偏動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了原型l和原型2。并基于SMA驅(qū)動(dòng)器熱動(dòng)力學(xué)模型、彈性板變形理論以及理想氣體狀態(tài)方程，建立了原型2的負(fù)壓響應(yīng)理論模型，對(duì)原型2在不同驅(qū)動(dòng)電流下的負(fù)壓響應(yīng)和吸附特性進(jìn)行了仿真和實(shí)驗(yàn)研究。結(jié)果表明，原型2能產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)壓并能使負(fù)壓消失，且負(fù)壓的大小、響應(yīng)時(shí)間與驅(qū)動(dòng)電流的大小有關(guān)，在驅(qū)動(dòng)電流4.75A時(shí)，原型2在25s內(nèi)達(dá)

6、到穩(wěn)態(tài)負(fù)壓14000Pa，當(dāng)密封條件較好時(shí)原型2能穩(wěn)定的吸附相當(dāng)于自重7.5倍的垂直負(fù)載。由于SMA驅(qū)動(dòng)器響應(yīng)速度慢，為改善負(fù)壓響應(yīng)，可采用差動(dòng)式驅(qū)動(dòng)器并利用SMA的自傳感特性控制加熱電流來(lái)對(duì)負(fù)壓響應(yīng)進(jìn)行快速控制，然后基于duhem模型建立了包括次級(jí)遲滯環(huán)在內(nèi)的SMA材料的相變動(dòng)力學(xué)模型和采用快速控制策略后仿生吸盤的負(fù)壓響應(yīng)模型。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，采用快速控制策略后仿生吸盤負(fù)壓響應(yīng)速度明顯改善，采用電阻反饋也能有效的防止SMA彈簧過(guò)熱

7、并能維持負(fù)壓。
　　 (3)提出了一種集成無(wú)閥微泵的微小型吸盤的設(shè)計(jì)方法，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。選擇圓形單晶片壓電驅(qū)動(dòng)器，并使微泵具有單腔雙振子結(jié)構(gòu)，采用激光雕刻加工制造了具有迭片式結(jié)構(gòu)的微泵吸盤。以優(yōu)化微泵空氣傳輸特性為出發(fā)點(diǎn)，從壓電驅(qū)動(dòng)器靜、動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)性能以及錐形管的空氣整流效率三方面對(duì)微泵吸盤進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。為優(yōu)化壓電驅(qū)動(dòng)器靜態(tài)驅(qū)動(dòng)性能，建立了圓形單晶片壓電驅(qū)動(dòng)器的理論力學(xué)模型，該模型表明壓電材料層和彈性薄膜層存在最優(yōu)的半徑

8、比和厚度比使得在相同電壓幅值下，壓電驅(qū)動(dòng)器體積變化最大；為優(yōu)化動(dòng)態(tài)驅(qū)動(dòng)特性，在第一類壓電方程的基礎(chǔ)上，推導(dǎo)了壓電驅(qū)動(dòng)器的二端口等效電路模型，基于上述模型，得到使壓電驅(qū)動(dòng)器在相同電壓幅值下變形最大的一階固有頻率，及其動(dòng)態(tài)體積變化波形，為后續(xù)微泵吸盤的仿真打下基礎(chǔ)；為優(yōu)化錐形管設(shè)計(jì)，對(duì)其空氣整流原理進(jìn)行了理論分析，定義了整流效率，通過(guò)有限元仿真考察了錐形管幾何參數(shù)變化對(duì)空氣整流效率的影響，結(jié)果表明存在最優(yōu)最小截面寬度、擴(kuò)張角和擴(kuò)張長(zhǎng)度使錐形

9、管空氣整流效率最大。
　　 (4)為預(yù)測(cè)微泵吸盤最佳工作頻率，對(duì)其負(fù)壓響應(yīng)進(jìn)行仿真研究，建立了微泵和微泵吸盤的流體網(wǎng)絡(luò)模型。仿真和實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的微泵可以傳輸空氣，微泵吸盤內(nèi)能迅速產(chǎn)生穩(wěn)定的負(fù)壓，而優(yōu)化錐形管幾何參數(shù)、使壓電驅(qū)動(dòng)器工作在最佳頻率、減小振動(dòng)腔厚度、采用多腔串聯(lián)等，均可有效的改善微泵凈流量和所能克服的最大背壓，增大微泵吸盤所能達(dá)到的穩(wěn)態(tài)負(fù)壓。對(duì)比仿真與實(shí)驗(yàn)結(jié)果，驗(yàn)證了微泵吸盤流體網(wǎng)絡(luò)模型的正確性，發(fā)現(xiàn)基于流體

10、網(wǎng)絡(luò)模型的仿真能有效的預(yù)測(cè)微泵吸盤的最佳工作頻率和負(fù)壓響應(yīng)。對(duì)微泵吸盤吸附特性的研究發(fā)現(xiàn)，由于微泵在不斷的抽取吸附腔內(nèi)的空氣，微泵吸盤可以可靠的吸附負(fù)載。在驅(qū)動(dòng)電壓幅值20V，頻率12.SKHz時(shí)，錐形管截面尺寸優(yōu)化后的單腔微泵吸盤可在0.03s內(nèi)達(dá)到穩(wěn)態(tài)負(fù)壓平均值2.6KPa，并能穩(wěn)定的吸附相當(dāng)于自重12倍的垂直負(fù)載。
　　 本文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三點(diǎn)：(1)研究了SMA驅(qū)動(dòng)的微小型仿生負(fù)壓吸盤的設(shè)計(jì)與控制方法；(2)提出一種