基于静电驱动的超薄柔性机器人的集成化和多功能化研究

与传统的刚性结构组成的机器人相比，柔性机器人在环境适应能力、抗冲击能力、隐蔽性等方面具有巨大的优势，在复杂设备无伤检修、灾后救援等场景中可以发挥巨大的作用。基于行波静电驱动的薄膜电机作为一种新兴的驱动器，在推重比、控制精度等方面相较于传统电动机和其他柔性驱动器具有较大优势，同时，薄膜电机还有抗强电磁场、视觉隐形等巨大优势。

但是静电薄膜电机在机器人应用方面深入研究仍然较少。一方面缺乏对于静电电机以应用为目标的建模、设计和优化技术的研究。另一方面，静电薄膜电机本身一般需要巨大而且笨重的高压放大器进行驱动，难以实现集成化的设计和更具实际意义的应用。而且，目前仍缺乏对于静电电机与传感、控制、升压等其他部件协同集成设计、完成柔性机器人多种表面附着、多维运动等多项功能的研究。针对以上问题，本文的主要工作和成果如下：

（1）借助矩量法构建了考虑介质击穿条件下的薄膜静电电机力-电耦合模型。分析了静电电机各个设计参数对于静电电机输出力的影响。相较于有限元技术，该模型过程更为简洁，效率更高。在该模型基础上，确定了静电电机的最优设计原则，可以对静电电机进行更优化的设计。

（2）提出了一维的静电电机实现多维运动的机理，包括实现转向运动、弯曲运动等。研究了对应的能量转化模型和力学模型，并通过计算比较了不同机理的优势与劣势，确定了实现机器人多功能化的方案。

（3）设计了机器人集成化运行所需的吸附、弯曲、微型升压和驱动模块，可以实现机器人脱离外部电源，独立进行各种运动。

（4）实现了一款基于静电电机驱动的多功能集成化机器人的样机，该样机总长度为220 mm，宽度为90 mm，携带有微型升压和驱动电路、弯曲模块、吸附模块。经验证，该机器人可以实现水泥、金属、玻璃三种平面上的攀附运行，可以实现转向、前进后退、弯曲等动作，可以攀越15 mm高的障碍，通过60 mm宽的环境凹陷。

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