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基于静电场的抓取器研究
10机电一体化Mechatronics2005年第1期
基于静电场的抓取器研究木
ResearchofaStaticElectricityGripper
马奎董卫军戴辉
(同济大学中德学院,上海200092)
摘要:该文针对一些透气薄片物体,如纸,纤维织物等再生产过程中的单件搬运要求.对基于静电力
的抓取器进行了深入研究.在对静电场进行合理构建的基础上,研制出了一种可以对薄片物体进行单件抓
取和放置的抓取器.实验结果表明,该抓取器工作稳定,可以抓取纸张以及类似形状的物体.
关键词:抓取器静电感应静电力
Abstract:Thepapercombinestheactualpmject.aimsattherequestofsOmespecialgraspobjects.for
examplewellventilatedthinpaper,someslicefibertextileandtogetherwithsomerelateddataofdomesticand
intemationalcorrelativeresearchworksandtheresearchofauthortomakeoutsomedetailedanalysis,developa
differentpreceptcomparedwithmechanicalorvacuumsrippers,whichthestaticelectricityfieldasthework
principle.Bytheexperimentresultisvalidforthegraspofaboveobject,finallyoutlookinthiswokroffurther
researchdirections.
Keywords:sripperelectrostaticinfluenceelectrostaticforce
0引言
近年来,有许多科研机构和研究人员将静电
场力作为一种可控动力源直接用作微系统产品的
动力源,如微机械手的驱动,静电马达的驱动等.
在这些应用中,静电力都产生在电源正负极之间
或直接作用在正负极上,是封闭式静电场,这种静
电力不能对形成静电场结构之外的物体产生作
用.本文通过对静电场的合理构建,实现了开放
式的静电场结构,并且针对实际生产中一些透气
薄片物体的特殊抓取要求,设计研制了新型的静
电抓取器.
1静电抓取器应用原理
1.1介质极化现象
在电介质内,原子中的电子被原子核的引
力紧紧束缚不能分离,但却可以在原子大小的
范围内移动.一般情况下,静电场只能使电介
质中性分子中的正,负电荷产生微观相对运动,
而不能像静电场中导体内的自由电子作宏观定
向运动.所以,在讨论静电场与电介质的相互
作用时,把电介质分子简化为电偶极子,认为电
介质是由大量微小的电偶极子组成的.置于电
场中的电介质,在外电场作用下,沿电场方向产
生偶极矩,在介质表面产生束缚电荷的现象称
为电介质的极化现象.
1.2静电感应
静电抓取器为一种开放式结构.其主要应用
原理基于静电感应现象,即:将一个不带电的金属
导体放人有一定电场强度的电场中,导体内部的
本项目由上海市纳米技术中心资助,项目编号0214NM094.
作者简介:马奎1961年出生,副教授.德国不伦瑞克工业大学博士,同济大学研究生导师.研究方向为微操作机
器人技术.
董卫军1979年生,同济大学在读研究生.研究方向为微操作及微操作系统.
基于静电场的抓取器研究ll
自由电子受到电场力的作用,将会向电场的反方
向运动,使得这个金属导体的一边出现负电荷,另
一
边出现正电荷.这种金属导体内部的自由电荷
受外场力作用而重新分布的现象就是静电感应
现象.
对于在一个静电场中的非导体而言,也同样
会产生上述的静电感应现象.
1.3应用原理
抓取器在整个抓取过程中,最关键的是要
保证被抓取物体的稳定和可靠(即静电力达到
最大而又不能破坏被抓取物体的表面质量).
这就是要在抓取器工作面上建立起一个合适
的静电场,最终通过静电力的作用达到抓取
目的.
图1为静电抓取器结构原理示意图.电极板
的不同部分分别与电源的正负两极相连,在电极
板表面既带有正电荷,也带有负电荷,这种局部带
电现象使得电荷密度增大,也使得导体表面邻近
处的场强增大,静电力增大,以达到我们所需要的
工作要求.
吸附电极板
图1静电抓取器结构原理示意图
2静电力计算
图2为静电抓取器开放式结构示意图.其中
心轴相当于图l中的正吸附电极板,接入电源正
极;绝缘层外的套简相当于负电极板,接入电源负
极.在接入高压电源之后,正负电极之间局部区
域内,由于集肤效应从而堆积了大量的电荷,使得
物
广一
一
一
层
其中:为相对介电常数,8O为真空介
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