1、爬壁機器人的關(guān)鍵技術(shù)是機器人本體與壁面的可靠吸附，負壓吸附由于其環(huán)境適應能力強、吸附可靠而得到廣泛應用。隨著微小型移動機器人應用領(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器人代替人工到對體積要求嚴格的場所作業(yè)。要設(shè)計微小型爬壁機器人，首先應實現(xiàn)負壓吸附機構(gòu)的微小型化。由理想氣體狀態(tài)方程，產(chǎn)生負壓有兩種方法：在吸盤體積不變時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)生負壓。雖

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

3、構(gòu)特點設(shè)計微小型仿生吸盤。本文根據(jù)上述兩種設(shè)計思路，在國家自然科學基金項目——基于SMA驅(qū)動的微小仿生多腔無源負壓吸盤研究(60675052)的資助下，分別設(shè)計研究了功能材料驅(qū)動的微泵吸盤和微小型仿生吸盤，主要研究內(nèi)容如下：
　　 (1)提出了功能材料驅(qū)動的微小型仿生吸盤應該具備的基本結(jié)構(gòu)，研究了形狀記憶合金(SMA)驅(qū)動器的驅(qū)動性能。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象，根據(jù)該生物吸盤的結(jié)構(gòu)特點，微小型仿生吸盤應由

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)動器驅(qū)動該吸盤，在Tanaka系列SMA材料本構(gòu)模型的基礎(chǔ)上，建立了SMA驅(qū)動器的熱動力學模型，實驗結(jié)果表明，該模型可以有效的預測SMA驅(qū)動器的溫度和位移響應。對偏動式SMA彈簧驅(qū)動器和雙程記憶效應(TWSME)彈簧驅(qū)動器驅(qū)動特性的研究結(jié)果表明，它們的輸出位移和響應時間與驅(qū)動電流以及負載的大小有關(guān)。
　　 (2)設(shè)計了SMA驅(qū)動微小型仿生負壓吸盤，并

5、研究了該吸盤的負壓響應、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，首先分別采用TWSME彈簧驅(qū)動器和偏動式驅(qū)動器設(shè)計了原型l和原型2。并基于SMA驅(qū)動器熱動力學模型、彈性板變形理論以及理想氣體狀態(tài)方程，建立了原型2的負壓響應理論模型，對原型2在不同驅(qū)動電流下的負壓響應和吸附特性進行了仿真和實驗研究。結(jié)果表明，原型2能產(chǎn)生穩(wěn)定的負壓并能使負壓消失，且負壓的大小、響應時間與驅(qū)動電流的大小有關(guān)，在驅(qū)動電流4.75A時，原型2在25s內(nèi)達

6、到穩(wěn)態(tài)負壓14000Pa，當密封條件較好時原型2能穩(wěn)定的吸附相當于自重7.5倍的垂直負載。由于SMA驅(qū)動器響應速度慢，為改善負壓響應，可采用差動式驅(qū)動器并利用SMA的自傳感特性控制加熱電流來對負壓響應進行快速控制，然后基于duhem模型建立了包括次級遲滯環(huán)在內(nèi)的SMA材料的相變動力學模型和采用快速控制策略后仿生吸盤的負壓響應模型。仿真和實驗結(jié)果表明，采用快速控制策略后仿生吸盤負壓響應速度明顯改善，采用電阻反饋也能有效的防止SMA彈簧過熱

7、并能維持負壓。
　　 (3)提出了一種集成無閥微泵的微小型吸盤的設(shè)計方法，并對其進行了優(yōu)化設(shè)計。選擇圓形單晶片壓電驅(qū)動器，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，從壓電驅(qū)動器靜、動態(tài)驅(qū)動性能以及錐形管的空氣整流效率三方面對微泵吸盤進行了優(yōu)化設(shè)計。為優(yōu)化壓電驅(qū)動器靜態(tài)驅(qū)動性能，建立了圓形單晶片壓電驅(qū)動器的理論力學模型，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)動器體積變化最大；為優(yōu)化動態(tài)驅(qū)動特性，在第一類壓電方程的基礎(chǔ)上，推導了壓電驅(qū)動器的二端口等效電路模型，基于上述模型，得到使壓電驅(qū)動器在相同電壓幅值下變形最大的一階固有頻率，及其動態(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，對其空氣整流原理進行了理論分析，定義了整流效率，通過有限元仿真考察了錐形管幾何參數(shù)變化對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、擴張角和擴張長度使錐形

9、管空氣整流效率最大。
　　 (4)為預測微泵吸盤最佳工作頻率，對其負壓響應進行仿真研究，建立了微泵和微泵吸盤的流體網(wǎng)絡模型。仿真和實驗結(jié)果表明，本文設(shè)計的微泵可以傳輸空氣，微泵吸盤內(nèi)能迅速產(chǎn)生穩(wěn)定的負壓，而優(yōu)化錐形管幾何參數(shù)、使壓電驅(qū)動器工作在最佳頻率、減小振動腔厚度、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到的穩(wěn)態(tài)負壓。對比仿真與實驗結(jié)果，驗證了微泵吸盤流體網(wǎng)絡模型的正確性，發(fā)現(xiàn)基于流體

10、網(wǎng)絡模型的仿真能有效的預測微泵吸盤的最佳工作頻率和負壓響應。對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載。在驅(qū)動電壓幅值20V，頻率12.SKHz時，錐形管截面尺寸優(yōu)化后的單腔微泵吸盤可在0.03s內(nèi)達到穩(wěn)態(tài)負壓平均值2.6KPa，并能穩(wěn)定的吸附相當于自重12倍的垂直負載。
　　 本文的創(chuàng)新性體現(xiàn)在以下三點：(1)研究了SMA驅(qū)動的微小型仿生負壓吸盤的設(shè)計與控制方法；(2)提出一種