题目：面向爬壁机器人的静电吸附技术研究

相对于负压吸附、磁吸附等传统吸附技术，静电吸附具有壁面适用范围广、结构简单、能耗低、吸附可控性好等特点，其在爬壁机器人上的应用将具有广阔的发展前景和重要的研究价值。借鉴工业中静电吸附技术的应用成果，近年来已有学者开展了静电吸附技术在爬壁机器人上的应用研究，开发出了多款基于静电吸附技术的爬壁机器人样机。然而，这些研究多是基于特定壁面条件下的经验设计和实验探索，缺乏静电吸附基础理论的支撑，对吸附力的研究工作主要停留在定性分析上，还未能做到定量计算和控制，所开发的样机性能有待进一步改进。本文侧重于静电吸附的建模分析以及电场和吸附力的理论计算，定量分析影响吸附力的关键因素，在理论研究的基础上开发基于静电吸附技术的爬壁机器人样机。主要研究内容如下：

(1)   从电荷和电场的产生过程以及电场对电荷的作用机制两个角度深入研究了静电吸附的机理。归纳总结了静电吸附的电极构型和吸附力来源，通过改进后的平行板电容器模型研究了单极型静电吸附的基本原理，通过共面双面电极模型研究了双极型静电吸附的基本原理，并对共面散射场进行了仿真分析，对影响静电吸附力的关键因素进行了定性分析。

(2)   对与介电常数相关的由于电介质极化产生的静态电场和吸附力进行了理论分析与实验研究。建立梳状电极静电吸附的静态理论模型，结合边界条件和点匹配法，通过级数展开的形式求解模型空间电势所满足的拉普拉斯方程，推导得到了各层电介质内的电势和电场表达式，采用麦克斯韦应力张量法推导得到了吸附力的理论计算公式。结合理论计算与Ansoft Maxwell仿真分析的结果，定量分析了绝缘基底层的厚度、绝缘基底层的相对介电常数、壁面的相对介电常数、空气层的厚度、激励电压的大小以及梳状电极的宽度和间距这几个关键因素对静电吸附力的影响。设计加工了柔性吸附电极板并在钢板、玻璃、木板、粉刷墙面和PVDF板五种壁面上进行静态吸附实验，测量得到了各种壁面上吸附力大小的实验数据并与理论计算值进行了对比分析。

(3)   对与电导率相关的由于电介质内部少量自由电荷定向移动所导致的吸附力随时间的动态变化问题进行了理论分析与实验研究。建立梳状电极静电吸附的时变模型，采用分离变量法、泰勒级数展开、傅里叶级数展开和拉普拉斯变换等数学方法求解得到了模型空间电势和电场的数学表达式，利用麦克斯韦应力张量法计算得到了吸附力的大小。通过研究吸附模型在阶跃电压作用下的瞬态响应问题分析了电场和吸附力随时间的动态变化特性。通过实验测试了玻璃、木板和PVDF板三种壁面上的动态吸附效果，验证了模型的正确性和计算结果的可靠性。

(4)   对电极板相对壁面转动时吸附力的动态变化问题进行了理论分析与实验研究。建立电极板的转动模型，分析了电极板转动时电场的动态变化，探寻了电极板转动时吸附力动态变化的根本原因。构建动态吸附的实验平台，通过玻璃、木板和PVDF板三种壁面上电极板转动时的动态吸附实验验证了理论分析的正确性。

(5)   以静电吸附的理论分析与实验研究结果为指导，开展基于静电吸附技术的爬壁机器人样机设计与实验研究。开发了履带式和四足式两款静电吸附爬壁机器人样机，并对两款样机的性能进行了系统的实验研究。履带式样机直线行走的速度较快，但转弯比较困难；四足式样机可实现直线行走以及转弯功能，但运动是间歇的，速度较慢。