PDF《无源振动吸附原理与应用》

设计了实 验平台, 通过实验验证了该模型的正确性;

在理论 研究的指导下设计了一种振动吸附模块, 对该模 块进行了性能测试实验, 通过实验证明了这种吸 附模块可以方便的作为爬壁机器人的吸附足.

1 振动吸附机理 1.

1 振动吸附过程分析 假设某种材料的吸盘, 展开半径为r, 被压附 在一定材质的壁面上, 初始压在吸附面时吸盘的 高度为 H. 对该吸盘施加以角频率ω、 振幅h 的外 加振源, 研究吸盘振动时腔内气体正压和负压过 程. 当对吸盘施加一段时间的激励后, 吸盘将处于 一个动态的平衡中, 且存在一个动态的平衡高度 H1. 当吸盘下压至此高度时, 腔内气压与腔外气 压相等. 所以吸盘在上拉过程以及下压 至H1 前 为负压, 从H1位置下压至吸盘的最低点为正压. 只有这样才有可能解释前言提到的问题. 1. 1.

1 负压过程 负压过程包括了吸盘的上拉过程以及一部分 下压过程. 图1 a为振动过程中随着吸盘高度变化 吸盘腔内气压变化的示意图, 图1 b为吸盘高度变 化示意图, 负压过程见图中粗黑线所示. a~ b 时 吸盘处于上拉状态, 体积增大且由于压差气体将 通过间隙流入吸盘, 但是体积增大对吸盘内气体 密度影响比进入吸盘内气体对密度的影响大, 所 以吸盘内部压强P i小于外部大气压强Po, 气压将 持续降低. 可知吸盘处于a 点时, P i=Po. 吸盘处 于b位置时, 吸盘的气压为最小值. b~ c吸盘处于 下压状态, 吸盘体积减少且气体持续进入吸盘, 但 是由于处于b位置时PiPo 时, 空气开始从吸盘内部流出, 随着吸盘下降, 压 强差增大, 空气变得更容易流出, 当空气流出对气 压的影响大于体积变小对气压的影响时, 吸盘内 部正压强差又会减小( 软吸盘的边缘被吸附的表 面之间组成了一个 单向阀 从而具有将空气排出 的能力) . 通过对负压以及正压过程的分析可以看出, 新模型的本质是 将吸盘单元的边界看成是一个 单向阀 , 在压缩的时候吸盘空腔里的气体比较 容易出去, 而在拉起的时候, 外面的气体很难进 入. 这样就造成吸盘单元在一个振动周期内平均 气压低于大气压的负压效果. 1.

2 数学模型 对吸盘腔内气压建模, 如式(

1 ) ~式(

8 ) .

1 )假设吸盘内气体满足理想气体状态方程: P i V =m R T (

1 ) 该方程主要建立了吸盘内部的压强 P i与吸盘空 腔内气体的体积V 以及摩尔数m 之间的物理关 系. 由于是初步仿真, 故不考虑温度 T 的变化, 气 体常量R=8.

3 1 J / ( m o l ・K) , T=3

0 0K.

2 )激励主要从V 项中引入, 吸盘的体积为 V =

1 3 π r

2 ( H +h s i n ω t) (

2 ) 式中, r为吸盘半径( mm) ;

H 为吸盘中间位置的 高度( mm) ;

h 为振动的幅度( mm) ;

ω 为振动的角 频率( r a d / s ) .

3 )假设气体从缝隙里通过的时候, 气体的压 力作功转化为气流的动能, 同时由于缝隙表面粗 糙, 有一部分能量h f 因为摩擦而损失掉. 根据质 量守恒以及能量守恒原理可得: 当处于负压过程 时, 即P iPo, 有Piρ=u2o2+Po ρ +h f o (

5 ) d m d t =L2・ u i (

6 ) 式中, ρ是气体密度( m o l / m3 ) ;

u 是气体在边界上 的流动指数, 为无量纲量, 受压强差控制;

u i是气 体流入吸盘内的流动指数;

u o是气体流出吸盘的 流动指数;

h f是摩擦损失能量( J ) ;

h f i 是气体被吸 入时损失的能量( J ) ;