基于静电吸附的柔性夹持装置研究.pdf

哈尔滨工业大学工学硕士学位论文

摘要

伴随航天器发射数量的快速增长，受限于近地轨道资源有限，“太空垃圾”

的威胁成为不可忽视的问题，此外许多航天器寿命接近尾声，在轨维修、补充燃

料、回收报废等成为航天技术发展的重要议题，设计一种通用的对接捕获装置对

航天技术的发展具有重大意义。

本课题以空间目标捕获对接为任务出发点，主要针对大平面、大圆柱目标物

抓取捕获，将静电吸附技术（Electroadhesion，EA）与线驱动柔性夹持装置相结

合，提出了一种新型的静电吸附增强型柔性夹持装置。本文的主要研究工作与研

究成果包括：

设计了一款控制与结构较为简单的线驱动柔性夹持装置，通过单电机驱动可

实现两块大面积柔性手指弯曲变形，该装置具有平面和弯曲两种工作形态，通过

ADAMS刚柔耦合分析验证了柔顺关节的弯曲性能和受力情况，通过有限元仿真

校核了柔性夹持装置的应力情况。

针对本文设计的柔性夹持器，静电吸附片可增强柔性夹持器的夹持力。考虑

静电吸附是一种复杂、动态的吸附机理，吸附力与电极排布、尺寸、材料等存在

复杂的非线性关系，本文基于静电场下的麦克斯韦应力张量法对静电吸附片进行

了有限元建模，在ComsolMultiphysics中利用参数化求解功能探究了电极几何参

数、介电特性等对静电吸附力的影响并进行优化分析，仿真结果指导了静电吸附

片的优化实验。

基于掩膜板加工尺寸限制和仿真结果的指导，本文在1.5-4mm电极宽度/间隙

范围内制作了多组样品进行了静电吸附力测试实验，对A4纸进行的吸附力测试

中在电极宽度2mm电极间隙2mm时获得了最优的宽度间隙比，对于导电材料

静电吸附力与电极宽度呈正相关，实验与仿真优化分析的误差在可接受范围内，

进一步证明了仿真模型的有效性。

最后，为验证静电吸附片对柔性夹持装置夹持效果的增强作用，本研究将实

验优化后的静电吸附片与夹持器相结合，并将夹持器安装在机械臂末端进行了夹

持效果的定量实验分析。在对不同直径的圆柱目标物非包络夹持测试中，静电吸

附片通电后，夹持器的夹持效果获得了明显增强，对平面目标物的吸附能力尚待

提升，本研究初步验证了静电吸附技术在空间目标物对接捕获领域中的应用前景。

关键词：静电吸附（EA）；柔性夹持；腱绳驱动；空间；非包络夹持

I

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Abstract

Withtherapidgrowthofthenumberofspacecraftlaunches,limitedbytheresources

inlowEarthorbit,thethreatofspacedebrishasbecomeanissuethatcannotbeignored.

Inaddition,manyspacecraftarenearingtheendoftheirlife.Onorbitmaintenance,fuel

replenishment,recyclingandscraphavebecomeimportantissuesinthedevelopmentof

spacetechnology.Designingauniversaldockingandcapturedeviceisofgreat

significancetothedevelopmentofspacetechnology.

Thisprojecttakesspacetargetcaptureanddockingasthestartingpointofthetask,

mainlytargetingthecaptureoflargeplanarandcylindricaltargets.Bycombining

Electroadhesion(EA)technologywithlinedrive