一种共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法

1.本发明涉及静电吸附技术领域，具体是涉及一种共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法。


背景技术：

2.随着爬行机器人的发展应用，如何提升机器人在复杂环境中的适应性成为业界的重要研究内容，其中爬墙机器人因其较广的工作空间与极强的环境适应性成为研究的热点。常见用于墙面吸附的机构有可重复粘性材料、壁虎材料、负压吸附和电磁吸附等设计方案，但是以上结构在真空环境下难以使用，重复粘性材料需要设计特殊的机器人步态进行控制，壁虎材料的制作复杂，同时负压吸附方式在真空高低温差环境下难以使用，电磁吸附是目前最为实用且成熟的吸附技术，但是其受限于电磁铁的结构与原理，对于钛等非磁性金属难以使用，且其吸附方式需要设计严格贴合吸附目标表面的外壳与精确的步态控制，这也给其使用带来了必须要克服的困难。
3.目前使用电容原理的静电吸附方案受到业界广泛的关注，其原理是通过两种接触材料之间存在电势差时产生的静电吸引力来实现有效的粘附。该技术经过大量的研究和发展已经成功拓展到包括固定连接、吸附夹持等设计应用中，但是传统的静电吸附装置大多采用单极性、齿梳状的设计方案，且为了便于制作多采用刚性结构。
4.由于静电吸附原理导致其介电作用所需的作用距离较小，传统的单极性排列需要加载较大的电压才能获得理想的静电吸附力，这极易造成介电薄膜的击穿形成短路；齿梳状的结构设计相比于单极性电极具有更好的介电效应，但是其面积利用率不高，仅在内部齿梳间能产生较大的静电吸附作用，往往也需要较大的加载电压提升其吸附力，同样容易带来击穿短路造成使用寿命较短的潜在危害。
5.由于以上原因，现有的静电吸附装置设计及制作技术不能很好的满足现有的技术使用要求，因此，需要设计并制作一种新构型下的柔性静电吸附机构，解决上述所出现的问题。


技术实现要素：

6.本发明的目的是提供一种共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法，以解决上述现有技术存在的问题，提高表面贴合性与环境适应性。
7.为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
8.本发明提供了一种共面构型的柔性静电吸附装置，包括从上至下依次排列的介电层、电极层和绝缘基底，所述电极层的空隙处、以及所述电极层与所述绝缘基底之间填充有粘附材料，所述介电层和所述绝缘基底之间通过所述粘附材料固定，所述电极层包括两个电极，两个所述电极分别接入高压直流电源的正极和负极，所述介电层、所述电极层、所述粘附材料和所述绝缘基底均为柔性材料制成。
9.优选的，两个所述电极均为螺旋状，且两个所述电极相互环绕设置。
10.优选的，两个所述电极各处宽度均相等，且两个所述电极各处的间距也相等，所述电极的宽度与两个所述电极之间的间距相等。
11.优选的，两个所述电极的上表面处于同一水平面内。
12.优选的，所述电极层为具有导电性和延展性的金属材料制成。
13.优选的，所述介电层为具有介电性能的柔性材料制成。
14.优选的，所述粘附材料为绝缘材料制成。
15.优选的，所述绝缘基底为具有柔性的非介电绝缘材料制成。
16.本发明还提供了一种共面构型的柔性静电吸附装置的制作方法，用于制作上述技术方案中任一项所述的共面构型的柔性静电吸附装置，包括以下步骤：
17.s1，根据目标产品参数，设计所述电极层的形状及尺寸，绘制所述电极层的图纸；
18.s2，制作所述绝缘基底，利用所述粘附材料将制作所述电极层的原材料紧密贴合于所述绝缘基底上；
19.s3，设定合适的切割参数，切割所述原材料得到所述电极层，剥离所述原材料中除所述电极层外的废料；
20.s4，将所述介电层紧密贴合覆盖于所述电极层上端，利用所述电极层空隙中填充的所述粘附材料实现所述介电层的固定；
21.s5，将两个所述电极分别连接直流高压电源正负极。
22.本发明相对于现有技术取得了以下技术效果：
23.本发明提供的共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法，包括从上至下依次排列的介电层、电极层和绝缘基底，各结构均为柔性材料制成，整体具有柔性特性，以确保本发明的共面构型的柔性静电吸附装置能够紧密贴合吸附目标，有效提高同等电压作用下产生的静电吸附力，电极层的空隙处、以及电极层与绝缘基底之间填充有粘附材料，尽可能去除空气在静电吸附结构中的影响，介电层和绝缘基底之间通过粘附材料固定，实现各结构的连接固定，电极层包括两个电极，两个电极分别接入高压直流电源的正极和负极，实现对任意介电材料产生介电效果，进而实现静电吸附，且即使在真空环境下也能实现吸附。
附图说明
24.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
25.图1是实施例一提供的共面构型的柔性静电吸附装置的俯视图；
26.图2是图1的主视图；
27.图中：100-共面构型的柔性静电吸附装置，1-绝缘基底，2-粘附材料，3-电极层，31-电极，4-介电层。
具体实施方式
28.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于
本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
29.本发明的目的是提供一种共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法，以解决现有的用于墙面吸附的机构受环境影响大、表面贴合度差的技术问题。
30.为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
31.实施例一
32.如图1-图2所示，本实施例提供一种共面构型的柔性静电吸附装置100，包括从上至下依次排列的介电层4、电极层3和绝缘基底1，各结构均为柔性材料制成，整体具有柔性特性，以确保本实施例的共面构型的柔性静电吸附装置100能够紧密贴合吸附目标，有效提高同等电压作用下产生的静电吸附力，电极层3的空隙处、以及电极层3与绝缘基底1之间填充有粘附材料2，尽可能去除空气在静电吸附结构中的影响，介电层4和绝缘基底1之间通过粘附材料2固定，实现各结构的连接固定，电极层3包括两个电极31，两个电极31分别接入高压直流电源的正极和负极，实现对任意介电材料产生介电效果，进而实现静电吸附，且即使在真空环境下也能实现吸附。
33.具体地，两个电极31均为螺旋状，且两个电极31相互环绕设置，相比于单电极和齿梳状结构设计，在同等电压的作用下，本实施例中电极层3的形状能够获得更高的静电吸附力。两个电极31各处宽度均相等，且两个电极31各处的间距也相等，电极31的宽度与两个电极31之间的间距相等。等宽等距的电极31设计也使得整个装置各部位静电吸附效果近乎相同，提高吸附效果的同时也增加了吸附稳定性。
34.两个电极31的上表面处于同一水平面内。
35.电极层3为具有良好的导电性和延展性的金属材料制成，且电极层3为金属薄片。
36.介电层4为具有良好介电性能的柔性薄膜材料制成，其主要作用是在高压直流电源的作用下防止共面构型的柔性静电吸附装置100与吸附目标接触部分发生短路，并且通过介电作用形成相反的电势差，利用电荷异性相吸的原理实现静电吸附。
37.粘附材料2为绝缘材料制成。
38.绝缘基底1为具有柔性的非介电绝缘材料制成，且为薄片结构，其厚度应保证不被工作电压击穿。
39.本实施例提供的共面构型的柔性静电吸附装置100的工作原理是将电极层3中的两个电极31和分别接入不同极性的高压直流电，并且将介电层4紧贴吸附目标表面，在短暂延迟后即可通过高压作用下的介电原理实现静电吸附，增加作用电压可以有效提高静电吸附力。
40.实施例二
41.本实施例提供一种共面构型的柔性静电吸附装置的制作方法，用于制作实施例一中的共面构型的柔性静电吸附装置100，包括以下步骤：
42.步骤一，根据需要加工的目标产品参数，设计所需的电极层3形状及尺寸，利用电脑软件绘制电极层3的图纸；
43.为尽可能确保各处静电吸附效果几乎相同，设计电极层3中正负电极31和的电极31宽度相等且定为d，两个电极31为紧密环绕的螺旋形状，其间隔宽度选为d，电极层3的边
缘与绝缘基底1的边缘的距离同样为d，d的具体数值与螺旋线圈数可根据吸附任务及目标尺寸设计计算，本实施例中选取d＝10mm，电极层3中电极31的螺旋线圈数均为2。
44.步骤二，使用柔性绝缘薄质材料作为绝缘基底1，利用粘附材料2将制作电极31使用的金属薄片整体压实紧密贴合在柔性绝缘薄质材料上；
45.本实施例选取厚度为0.02mm的透明pvc薄片材料制作绝缘基底1，选取厚度为0.02mm的黄铜片制作电极层3中的两个电极31，选取厚度为0.1mm以棉纸为基底的双面胶作为粘附材料2。在本实施例中，使用覆膜机将pvc薄片、双面胶和黄铜片紧密压实粘连在一起形成复合整体，后通过激光裁片切刻机设置合适的切割参数，对复合整体沿设计的绝缘基底1边缘进行切割，得到所需大小的绝缘基底1。
46.步骤三，利用裁片切刻机设定合适的切割参数，对电极层3进行图形切割，同时不伤及绝缘基底1与粘附材料2；
47.在本实施例中，通过设置合适的激光切刻机切割参数，对步骤二中处理得到的复合整体中的黄铜片沿设计的切割路径进行切割，确保留下的切割痕迹使得多余部分的黄铜片可以轻易撕下。需要注意的是，在这一步骤中的切割参数的设置需要保证完全切穿黄铜片却不伤及双面胶层。
48.步骤四，利用减材制造方法得到设计的电极层3形状，即剥离黄铜片中除所需图形外的其余部分金属材料；
49.根据步骤三中所得到的切割痕迹，小心去除黄铜片的多余部分得到最终的粘附材料2和电极层3。此外，得益于棉纸基底双面胶独特的性质，在将多余粘附黄铜片去除时会略微增加棉纸基底的厚度，使其更易于粘附介电层4且保证静电吸附装置工作表面的平整度。
50.步骤五，将柔性介电薄膜紧密贴合覆盖在电极层3上，利用电极层3空隙中填充的粘附材料2实现固连；
51.在本实施例中，选取厚度为0.05mm的透明pet薄膜材料制作介电层4，为提高静电吸附装置整体的制作精度，首先借助覆膜机将pet薄膜与步骤四中得到的复合整体通过粘附材料2紧密压实固连，后沿绝缘基底1的边缘将pet薄膜多余部分切除得到介电层4。
52.步骤六，将电极层3的两个电极31分别连接直流高压电源正负极，即可对任意介电材料实现产生介电效果实现静电吸附目的。
53.在本实施例示意图中，为了便于理解各层组织结构和相对位置，省略了电极层3中两个电极31的接电引脚，根据实际应用中的设计需求和结构参数，可以自如地设计两个电极31的接电引脚，且两个电极31无正负极性接线要求。在本实施例中，为了保证静电吸附装置工作面的平整性，将接电引脚从两个电极31的相反方向分别引出并使其长度超出绝缘基底1，后将接电引脚弯折紧贴绝缘基底1的底部，进而连接高压直流电源的正负极。
54.本实施例中所使用的介电层4、绝缘基底1、粘附材料2和电极层3的具体材料选用不限于上述限定。
55.本说明书中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

技术特征：
1.一种共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：包括从上至下依次排列的介电层、电极层和绝缘基底，所述电极层的空隙处、以及所述电极层与所述绝缘基底之间填充有粘附材料，所述介电层和所述绝缘基底之间通过所述粘附材料固定，所述电极层包括两个电极，两个所述电极分别接入高压直流电源的正极和负极，所述介电层、所述电极层、所述粘附材料和所述绝缘基底均为柔性材料制成。2.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：两个所述电极均为螺旋状，且两个所述电极相互环绕设置。3.根据权利要求2所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：两个所述电极各处宽度均相等，且两个所述电极各处的间距也相等，所述电极的宽度与两个所述电极之间的间距相等。4.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：两个所述电极的上表面处于同一水平面内。5.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：所述电极层为具有导电性和延展性的金属材料制成。6.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：所述介电层为具有介电性能的柔性材料制成。7.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：所述粘附材料为绝缘材料制成。8.根据权利要求1所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：所述绝缘基底为具有柔性的非介电绝缘材料制成。9.一种共面构型的柔性静电吸附装置的制作方法，用于制作权利要求1-8中任一项所述的共面构型的柔性静电吸附装置，其特征在于：包括以下步骤：s1，根据目标产品参数，设计所述电极层的形状及尺寸，绘制所述电极层的图纸；s2，制作所述绝缘基底，利用所述粘附材料将制作所述电极层的原材料紧密贴合于所述绝缘基底上；s3，设定合适的切割参数，切割所述原材料得到所述电极层，剥离所述原材料中除所述电极层外的废料；s4，将所述介电层紧密贴合覆盖于所述电极层上端，利用所述电极层空隙中填充的所述粘附材料实现所述介电层的固定；s5，将两个所述电极分别连接直流高压电源正负极。

技术总结
本发明公开了一种共面构型的柔性静电吸附装置及其制作方法，涉及静电吸附技术领域，共面构型的柔性静电吸附装置包括从上至下依次排列的介电层、电极层和绝缘基底，电极层的空隙处、以及电极层与绝缘基底之间填充有粘附材料，介电层和绝缘基底之间通过粘附材料固定，电极层包括两个电极，两个电极分别接入高压直流电源的正极和负极，介电层、电极层、粘附材料和绝缘基底均为柔性材料制成。使用共面构型的柔性静电吸附装置的制作方法制作的共面构型的柔性静电吸附装置表面贴合性好，环境适应性高。应性高。应性高。


技术研发人员：汪雪川 刘立 岳晓奎 朱明珠 王勇越
受保护的技术使用者：西北工业大学
技术研发日：2023.06.25
技术公布日：2023/10/11