風驅(qū)動磁控空氣閥轉(zhuǎn)向球形機器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種風驅(qū)動磁控空氣閥轉(zhuǎn)向球形機器人，是一種可以運用于極地科考探測的球形機器人，屬于新型機器人開發(fā)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]南極的自然環(huán)境極其惡劣，導致戶外考察工作極其艱辛且存在生命危險。為了能夠更加安全，更加便利的考察更大面積的南極地貌并收集各種數(shù)據(jù)，利用一種可以進行極地數(shù)據(jù)采集的機器人裝置來代替人工作是非常理想的設(shè)想。考慮到極地環(huán)境的特殊性(低溫、大風、面積遼闊)，所以考慮球形機器人為最佳的選擇。球形機器人擁有獨特的優(yōu)點，其所有的驅(qū)動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)以及檢測系統(tǒng)都被密封包裹在球殼內(nèi)，非常有利于隔絕環(huán)境中的低溫影響，避免電路失效或檢測數(shù)據(jù)失真。所以設(shè)計一種用于南極科考用的極地球形機器人是非常有意義的。
[0003]球形機器人是一種形狀非常特殊的機器人，其特殊之處在于從外表看，沒有任何裸露的機械結(jié)構(gòu)或電子結(jié)構(gòu)，只是純粹的圓球。這種機器人最近受到了廣泛的關(guān)注。它的特殊形態(tài)相對于目前傳統(tǒng)的機器人來說擁有以下幾個優(yōu)點:整個系統(tǒng)被外殼完全覆蓋住，可以得到全面保護；擁有類似輪式運動的高運動效率和穩(wěn)定的運動規(guī)律；因為幾何對稱的固有性質(zhì)，球形機器人的運動可以是全向的；球形機器人的外殼的每一部分可以充當作為一個“腳”，它可以在碰撞后快速恢復(fù)和自動適應(yīng)接觸到的柔軟或不平的地形和其他工作條件。
[0004]根據(jù)目前已有的研宄成果，從球形機器人的驅(qū)動系統(tǒng)的能源來源可以分為兩大類:一類是自驅(qū)動，也就是依靠機器人的自帶能源以及內(nèi)部的機構(gòu)產(chǎn)生動力使機器人運行。自驅(qū)動的特點是可操控性強，適應(yīng)性好，對于工作環(huán)境的要求小，可以通過機器人的控制系統(tǒng)精確控制機器人的路徑已進行最優(yōu)路徑規(guī)劃；缺點是自驅(qū)動需要耗費大量的能量用于驅(qū)動系統(tǒng)，造成機器人的續(xù)航能力低下。
[0005]另一類是外驅(qū)動球形機器人，主要是依靠球形機器人所在環(huán)境的外部能源作為驅(qū)動能源，主要有風力驅(qū)動、水力驅(qū)動、太陽能驅(qū)動等。外驅(qū)動的優(yōu)點是驅(qū)動不需要自供能源，驅(qū)動系統(tǒng)相較于自驅(qū)動系統(tǒng)而言被大大簡化，甚至消失，機器人的所有自備能源可用于耗電量低的控制及檢測系統(tǒng)，從而使球形機器人的續(xù)航能力極大提高；外驅(qū)動的缺點是對環(huán)境的依賴性強，只適合在特定的環(huán)境中使用。比如風力驅(qū)動只適用于風力資源豐富地域，水力驅(qū)動只適用于有較大水流的水域環(huán)境。
[0006]最早出現(xiàn)的外驅(qū)動球形機器人是2001年NASA噴氣推進實驗室報道的一種名叫Tumbleweed的極地探測球形機器人。這是一種大型的，靠風力吹動的充氣式球體，在球體內(nèi)部攜帶有各種檢測儀器等載荷。由于整個球體是充氣式的，運輸時可以放氣，將體積減小到極小的程度，非常便于攜帶。整個機器人結(jié)構(gòu)簡單輕便，為研宄工作者在大面積區(qū)域內(nèi)進行數(shù)據(jù)采集工作提供了有效而簡便的方法。在格陵蘭島，風滾草巡游者完成了獨自穿越130多公里長的冰原的探測工作。通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳回了沿途的溫度和壓力的可靠數(shù)據(jù)。
[0007]單純的外驅(qū)動球形機器人犧牲了可操控性，無法在有需要的時候進行變向控制，不能設(shè)計需要探測的路徑，也無法實現(xiàn)主動壁障功能，使得該類球形機器人的應(yīng)用存在局限性。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的是設(shè)計一款適合于極地科考的風驅(qū)動磁控空氣閥轉(zhuǎn)向球形機器人，可以利用風能作為驅(qū)動能源，并同時設(shè)計一種新穎的轉(zhuǎn)向機制，既結(jié)構(gòu)簡單又節(jié)省能源，又兼具高效的電能收集功能。最終實現(xiàn)大幅提高航程和運動方向可操控功能。
[0009]為達到上述目的，本發(fā)明所采用的構(gòu)思是:
一種風驅(qū)動磁控空氣閥轉(zhuǎn)向球形機器人，包括外球殼、內(nèi)球殼、轉(zhuǎn)向及電能收集裝置；所述內(nèi)球殼為密封硬質(zhì)球殼，由兩個半球殼拼接固定而成，能承受一定的外力而不產(chǎn)生大的變形，支撐起整個球體形狀并將內(nèi)部控制模塊以及檢測模塊與外部低溫環(huán)境隔絕開來，保證電子電路系統(tǒng)正常工作；所述外球殼為具有一定柔性的有孔球殼，由兩個半球殼拼接固定而成，在兩個半球殼上均勻分布有若干個進氣口 ；所述轉(zhuǎn)向及電能收集裝置包括磁控空氣閥、磁控及電力收集聯(lián)合裝置和內(nèi)部姿勢保持機構(gòu)；外球殼、內(nèi)球殼和磁控空氣閥的相互配合在兩層球殼之間形成一個密閉的空腔，在風壓的作用下形成腔內(nèi)高壓。
[0010]所述磁控空氣閥包括風口、空氣閥殼、橡膠活塞、彈簧；所述風口有寬口和窄口，其中寬口在外球殼內(nèi)表面與進氣口對準固接，窄口上有外螺紋結(jié)構(gòu)；所述空氣閥殼有大直徑端和小直徑端，其中在大直徑端外端車有一小段內(nèi)螺紋，旋緊連接在風口的窄口外螺紋上；所述彈簧為壓彈簧，彈簧直徑小于空氣閥殼大直徑端內(nèi)徑，大于小直徑端內(nèi)徑，放置在空氣閥殼大直徑端內(nèi)，能夠軸向移動；彈簧的彈性系數(shù)保證磁控空氣閥在球殼高壓區(qū)打開，在低壓區(qū)關(guān)閉；所述橡膠活塞有大頭和小頭，中間以活塞桿連接，橡膠活塞插入空氣閥殼內(nèi)，小頭和連桿穿過彈簧，大頭壓在彈簧上，整個活塞能夠在軸向移動。
[0011]所述磁控及電力收集聯(lián)合裝置的機械結(jié)構(gòu)部分由永磁鐵和電磁線圈組成，所述永磁鐵固接在橡膠活塞的小頭上，當機器人滾動時，永磁鐵隨之運動，在電磁線圈周圍形成交變磁場，從而由于電磁感應(yīng)在電磁線圈中產(chǎn)生交變的電流；所述電磁線圈包括一個線圈架和兩個纏繞銅線線圈，線圈架固接在平衡支架的彎曲梁上中心位置，整個裝置共有四對相同的電磁線圈，相互間隔90°布置；當需要實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能時，只需要控制位于某側(cè)面位置的電磁線圈通電，吸引橡膠活塞上的永磁鐵打開相對位置的磁控空氣閥，使腔內(nèi)空氣由風口朝外噴射，噴射的反作用力使球形機器人向相反的一側(cè)轉(zhuǎn)動實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。
[0012]所述內(nèi)部姿勢保持機構(gòu)包括平衡支架、質(zhì)量塊和萬向滾珠；所述平衡支架為了與內(nèi)球殼的內(nèi)表面實現(xiàn)球面約束，其外部輪廓為球形，直徑小于內(nèi)球殼的內(nèi)徑；平衡支架結(jié)構(gòu)分為底部的承載區(qū)、加固環(huán)以及四周按90°均勻分布的四根彎曲梁，其中承載區(qū)用于固定安裝電源、控制模塊以及檢測模塊，四根彎曲梁用于安裝固定電磁線圈，使其處于整個裝置的赤道平面上；所述質(zhì)量塊由電源模塊充當，固接在平衡支架的底部承載區(qū)，其作用是降低姿勢保持機構(gòu)的重心；所述萬向滾珠固接在平衡支架的方形孔洞內(nèi)，萬向滾珠的數(shù)量共有八枚，其中四枚安裝在底部承載區(qū)附近，間隔90°均勻分布；另外四枚安裝在四根彎曲梁的頂端位置，間隔90°均勻分布；萬向滾珠的滾動圓珠穿過平衡支架的孔洞與內(nèi)球殼的內(nèi)壁面產(chǎn)生點接觸，八枚萬向滾珠共同作用將平衡支架與內(nèi)球殼隔離開來；將內(nèi)球殼與內(nèi)部姿勢保持機構(gòu)之間的摩擦由滑動摩擦轉(zhuǎn)變成滾動摩擦，從而大幅降低姿勢保持機構(gòu)的摩擦力影響。整個姿勢保持機構(gòu)的作用在于使安裝在內(nèi)殼體中的控制及檢測模塊保持豎直的姿勢不變，能夠不受內(nèi)殼體滾動的影響而發(fā)生翻滾。
[0013]本發(fā)明在原有的風驅(qū)動球形機器人的基礎(chǔ)上進行了獨特創(chuàng)新的改進，提高了風驅(qū)動球形機器人的性能。其優(yōu)勢以及創(chuàng)新點在于:
(I)本設(shè)計方案屬于風能驅(qū)動的方向可控的球形機器人，其結(jié)構(gòu)和功能主要針對南極特殊地理環(huán)境而設(shè)計，主要的應(yīng)用在于南極科考時的數(shù)據(jù)采集。其主要驅(qū)動依靠風能，可以節(jié)省大量的能量，只有在轉(zhuǎn)彎過程中才會消耗微弱的能量，再加上自身的能量收集裝置，可以最大程度上提高續(xù)航能力。
[0014](2)機器人采用了非常獨特的轉(zhuǎn)向原理以及轉(zhuǎn)向裝置，轉(zhuǎn)向原理是利用球體在風力場中表面壓力分布不均勻?qū)崿F(xiàn)轉(zhuǎn)向功能，依靠磁控單向閥實現(xiàn)可控的側(cè)面噴氣方式進行轉(zhuǎn)向。轉(zhuǎn)向動力的實質(zhì)是風能的運用，可以降低用于轉(zhuǎn)向的電能損耗。
[0015](3)電能收集裝置是對磁控單向閥同一裝置機構(gòu)的逆向運用。在用于轉(zhuǎn)向功能時，它是磁控單向閥，機器人給電磁鐵通電產(chǎn)生吸引磁場；在用于收集電能時，它是電能收集裝置，將球形機器人轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)化為電能收集起來。在實現(xiàn)電能收集功能的同時無需設(shè)計專門的裝置從而減輕了機器人的重量，簡化了結(jié)構(gòu)。
[0016](4)整體設(shè)計結(jié)構(gòu)簡單，功能緊湊，重量輕便，不需要復(fù)雜的內(nèi)部傳動機構(gòu)，內(nèi)部有大量空余空間可用于檢測儀器的搭載。
【附圖說明】
[0017]圖1為本發(fā)明提供的球形機器人的主視結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖2為本發(fā)明提供的球形機器人的雙層球殼示意圖。
[0019]圖3為本發(fā)明提供的內(nèi)部姿勢保持機構(gòu)的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖4為本發(fā)明提供的磁控空氣閥結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖5為本發(fā)明提供的球形機器人的最終外觀示意圖。
【具體實施方式】
[0022]本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合【附圖說明】如下:
如圖1，圖2，圖5所不，一種風驅(qū)動磁控空氣閥轉(zhuǎn)向球形機器人，包括外球殼1、內(nèi)球殼
4、轉(zhuǎn)向及電能收集裝置；所述內(nèi)球殼4為密封硬質(zhì)球殼，由兩個半球殼拼接固定而成，能承受一定的外力而不產(chǎn)生大的變形，支撐起整個球體形狀并將內(nèi)部控制模塊以及檢測模