CN103587600A

CN103587600A - 实用快速充气球形机器人

Info

Publication number: CN103587600A
Application number: CN201310559139.5A
Authority: CN
Inventors: 罗均; 姚骏峰; 邹旭东; 冯凯; 祝川
Original assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Current assignee: University of Shanghai for Science and Technology
Priority date: 2013-11-12
Filing date: 2013-11-12
Publication date: 2014-02-19
Anticipated expiration: 2033-11-12
Also published as: CN103587600B

Abstract

本发明公开了一种实用快速充气球形机器人。它包括球体、核心处理模块和信息采集模块。球体为一个双层热塑性聚氨酯弹性球膜，内外层球膜通过若干粘贴在外层球膜内壁和内层球膜外壁上的贴片拉点及拉绳相连接。内部有一个充气支架由互相垂直连接的圆管呈经纬交叉的网络型球体，该充气支架与所述外层球膜的内壁相接触连接。所述核心处理模块位于所述球体的球心，通过贴片拉点和拉绳与内层球膜连接，核心处理模块上含有卫星通讯模块。在所述内层球膜上有固定一块圆形隔热板，改隔热板周边通过若干拉条与外层球膜连接，在所述隔热板上安装所述信息采集模块。本发明充气速度快，刚性好，能量利用率高。

Description

实用快速充气球形机器人

技术领域

本发明涉及球形机器人领域，是一种提高柔性球形机器人展开速度的实用快速充气球形机器人。

背景技术

球形机器人作为一款全封闭的机器人，在科学探索上有着极为特殊的优势。为了探索一些特殊恶劣环境，如沙丘、雪地、冰缝等，传统的轮式或者足式机器人会面对各类的问题。

目前，球形机器人具有一定的野外适应能力而获得关注。针对地质疏松，或者结构不稳定的环境下，球形机器人对地面的压强相对其他机器人更小。而其中，柔性球形机器人更为突出，相对刚性球形机器人，良好的延展性和轻量使其兼具优异的可携带性和针对沙丘或雪地的适应性。

而主动式的球形机器人在能量利用率上较低，往往只能停留在陆地巡航的阶段，针对长距离的户外探索几乎难以实现。

国内，中国发明专利ZL200810017895.4公开了“一种风力驱动具有多种运动方式的环境探测球形机器人”，该机器人完全采用风力驱动，实现自由涌动，但其充气量巨大，这对于户外探索极其不利。

国外，NASA从2004年以来对于被动式球形机器人Tumbleweed的研制从未中断，在所给出的资料中，提及被动球内填充气体全部依靠气泵充气，大大限制了投放选择范围，同样也对自身的能源储备是个极大的负担。

发明内容

为了克服现有的柔性球形机器人整体刚度与充气速度的不足, 本发明的目的在于提供一种能提高柔性机器人刚度以及充气速度的实用快速充气球形机器人。

为达到上述目的，本发明的构思是：

本发明包括双层球体和充气支架；充气支架安装在外层球膜内壁；其中：

1) 双层球体结构的特征在于：内部球膜与外部球膜的连接通过热塑性聚氨酯弹性材料贴片拉点与拉绳连接，在两层球膜之间填充气体，构成内外两个独立气腔；核心处理模块位于球心，内置控制系统与独立电源，同样通过贴片拉点和拉绳与内层球膜连接固定；信息采集模块与卫星通讯模块通过碳素纤维支架与球膜连接固定，使用金属网对探测设备进行保护；

2) 充气支架：由多组硅胶编织管拼接而成；为避免与拉绳的缠绕，使用热塑性聚氨酯弹性材料焊接，使其与外层球膜连接；硅胶编织管能在-60℃~200℃内拥有良好的柔性特征，并且能承受10KG的压力。

根据上述发明构思，本发明采用下属技术方案：

一种实用快速充气球形机器人，它包括球体、核心处理模块和一个信息采集模块。

1) 所述球体为一个双层球膜：有一个热塑性聚氨酯弹性外层球膜与一个热塑性聚氨、酯弹性内层球膜构成的内气腔中，内外层球膜通过若干粘贴在外层球膜内壁和内层球膜外壁上的热塑性聚氨酯弹性贴片及拉绳相连接；

2) 有一个充气支架由互相垂直连接的热塑性聚氨酯弹性圆管呈经纬交叉的网络型球体；该充气支架与所述外层球膜的内壁相接触连接；

3) 所述核心处理模块位于所述球体的球心，通过热塑性聚氨酯弹性贴片和拉绳与内层球膜连接，核心处理模块上含有卫星通讯模块；

4) 所述内层球膜上有固定一块圆形隔热板，改隔热板周边通过若干热塑性聚氨酯弹性拉条与外层球膜连接，在所述隔热板上安装所述信息采集模块；

5) 所述双层球膜(1、6)具有良好的柔韧性；其内充气支架能承受至少2倍大气压，能在-40°~80°环境中具有良好的气密性。

6) 在充气过程中，利用高压充气泵对充气支架充气，在此过程中，充气支架的结构刚度变化，利用空气压差，使两层球膜间自然吸气，既节省了户外珍贵的能源，也大大减少了充气时间，同时提高了整球的刚度; 在实际投放过程中，只需两阶段的充气，就可以完成球形机器人的展开过程。

7) 所述核心处理模块包含核心控制单元，应急电池和温控系统，用螺钉将其固定在一个容器中，该容器通过贴片拉点与拉绳将其固定在内层球膜内部。

8) 所述信息采集模块包含各类传感器：温度传感器，湿度传感器，气压传感器等；该信息采集模块通过螺钉或硅胶固定在所述隔温板上，各传感器透过金属网对外收集信息。

9) 所述卫星通讯模块为基于铱星SBD9602模块开发的通讯模块，包含一块SBD9602模块，扩展板一块，铱星车载天线一台。

10) 所述内部核心处理模块通过贴片拉点与内层球膜内侧贴片拉点连接，保证在球形机器人运动过程中能基本维持在球体中心位置。

本发明具有的有益效果是：

1. 本发明的实现柔性球形机器人快速展开，简化了机器人的投放使用的步骤，同时也为柔性球形机器人提高了刚性，进一步加大了双层球膜的自储能能力，有效提高了连续弹跳的能量利用效率。

2. 针对不同地质背景下的环境，可以通过调节充气支架的内部压强，从而来提高与地面的贴合性。

本发明解决了现有充气球形机器人的缺陷，充气速度快，刚性好，能量利用率高。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的整体立体结构剖视图。

图2是本发明内部充气支架结构图。

图3是刚柔混合的信息采集模块的纵剖面构造图。

图中1.外层热塑性聚氨酯弹性球膜，2. 信息采集模块，2a. 热塑性聚氨酯弹性拉条，2b.隔热板,3.核心处理模块（含卫星通信模块），4a. 热塑性聚氨酯弹性贴片拉点，4b.拉绳，5.充气支架，6. 内层热塑性聚氨酯弹性球膜，7.航空接头，8.传感器。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。

实施例一：

参考图1~图3，本实用快速充气球形机器人包括球体、核心处理模块（3）和一个信息采集模块（2）。

1) 所述球体为一个双层球膜（1、6）：有一个热塑性聚氨酯弹性外层球膜（1）与一个热塑性聚氨、酯弹性内层球膜（6）构成的内气腔中，内外层球膜（1、6）通过若干粘贴在外层球膜（1）内壁和内层球膜（6）外壁上的热塑性聚氨酯弹性贴片（4a）及拉绳(4b)相连接；

2) 有一个充气支架（5）由互相垂直连接的热塑性聚氨酯弹性圆管呈经纬交叉的网络型球体；该充气支架（5）与所述外层球膜（1）的内壁相接触连接；

3) 所述核心处理模块（3）位于所述球体的球心，通过热塑性聚氨酯弹性贴片（4a）和拉绳（4b）与内层球膜（6）连接，核心处理模块（3）上含有卫星通讯模块；

4) 在所述内层球膜（6）上有固定一块圆形隔热板（2b），改隔热板（2b）周边通过若干热塑性聚氨酯弹性拉条（2a）与外层球膜连接，在所述隔热板上安装所述信息采集模块（2）。

实施例二：

本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：

1) 所述双层球膜(1、6)具有良好的柔韧性；其内充气支架（5）能承受至少2倍大气压，能在-40°~80°环境中具有良好的气密性。

2) 在充气过程中，利用高压充气泵对充气支架（5）充气，在此过程中，充气支架的结构刚度变化，利用空气压差，使两层球膜间自然吸气，既节省了户外珍贵的能源，也大大减少了充气时间，同时提高了整球的刚度; 在实际投放过程中，只需两阶段的充气，就可以完成球形机器人的展开过程。

3) 所述核心处理模块（3）包含核心控制单元，应急电池和温控系统，用螺钉将其固定在一个容器中，该容器通过贴片拉点与拉绳将其固定在内层球膜（6）内部。

4) 所述信息采集模块（2）包含各类传感器(8)：温度传感器，湿度传感器，气压传感器等；该信息采集模块（2）通过螺钉或硅胶固定在所述隔温板（2b）上，各传感器透过金属网对外收集信息。

5) 所述卫星通讯模块为基于铱星SBD9602模块开发的通讯模块，包含一块SBD9602模块，扩展板一块，铱星车载天线一台。

6) 所述内部核心处理模块（3）通过贴片拉点（4a）与内层球膜（6）内侧贴片拉点（4a）连接，保证在球形机器人运动过程中能基本维持在球体中心位置。

实施例三：

如图1~图3所示，本实用快速充气球形机器人包含柔性双层球膜与耐高压充气支架（5）以及核心处理模块（3）；

1) 如图1所示，球体内部包含两个气腔：包括由热塑性聚氨酯弹性外层球膜（1）与热塑性聚氨酯弹性内层球膜（6）组成的外气腔，由热塑性聚氨酯弹性内层球膜（6）与隔热板（2b）组成的内气腔，其中外气腔由若干贴片拉点（4a）以及拉绳（4b）链接。传感器（8）通过螺纹安装在隔热板（2b）上通过6条热塑性聚氨酯弹性拉条（2A）与双层球膜（1、6）固定，同时使传感器（8）达到缓震与防止内部热量干扰的作用；

2) 如图1所示，内部核心处理模块（3）通过6对贴片拉点（4a）和拉绳（4b），固定在内层球膜（6）中央，每两个相邻贴片拉点（4a）之间间隔相等，在安装时加以预紧力，保证核心处理模块（3）的固定介于一个类弹簧阻尼的缓震器中；

3) 如图2所示，充气支架（5）组件：包括硅胶编织管，单向阀，若干三通、四通气管接头，硅胶编织管通过拉条（2a）焊接沿经纬方向固定在热塑性聚氨酯弹性外层球膜（1）的内侧，在经纬交接的地方由三通或四通气管接头连通，充气头与单向阀相连，固定在充气嘴的内侧；

4) 如图3所示，所述的传感器（8）通过螺纹连接固定在隔热板（2b），并通过航空接头（7）与内部核心处理模块（3）连接；

本发明的工作过程如下：

本球体结构可实现野外球体的快速展开。

球体的双层气腔结构让球体在野外工作时提供良好的缓震能力。固定在内层球膜（6）的核心处理模块（3），通过多组拉绳（4b）的缓冲进一步降低外部冲击对电子器件的损伤。但在户外工作时，机器人投入工作所花费的时间受约于充气的时长，为解决这个问题，本发明加入了高压充气支架（5），使其在对高压充气管充气时，利用热塑性聚氨酯弹性薄膜的结构变形，外气腔形成负压，利用自然吸气，大大减少了充气的时间与充气所耗费的能量。另一方面，高压充气支架（5）进一步提高了球形机器人的刚性，在收到外界冲击载荷的过程中，为保护内部系统提供了多重保障。由于内外气腔是相对独立且密封的，进而保证在机器人使用过程中有良好的安全保障。同时在一些低温环境中，隔热板（2b）能将仪器散发的热量与传感器（8）隔离，避免产生干扰误差。

上述具体实施方式用来解释说明本发明，而不是对本发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。

Claims

1.本发明公开了一种实用快速充气球形机器人。它包括球体、核心处理模块(3)和一个信息采集模块（2），其特征在于：

2.根据权利要求1所述的实用快速充气球形机器人，其特征在于：所述双层球膜(1、6)具有良好的柔韧性；其内充气支架（5）能承受至少2倍大气压，能在-40°~80°环境中具有良好的气密性。

3.根据权利要求1所述的实用快速充气球形机器人，其特征在于：在充气过程中，利用高压充气泵对充气支架（5）充气，在此过程中，充气支架的结构刚度变化，利用空气压差，使两层球膜间自然吸气，既节省了户外珍贵的能源，也大大减少了充气时间，同时提高了整球的刚度; 在实际投放过程中，只需两阶段的充气，就可以完成球形机器人的展开过程。

4.根据权利要求1所述的实用快速充气球形机器人，其特征在于：所述核心处理模块（3）包含核心控制单元，应急电池和温控系统，用螺钉将其固定在一个容器中，该容器通过贴片拉点与拉绳将其固定在内层球膜（6）内部。

5.根据权利要求1所述的实用快速充气球形机器人，其特征在于：所述信息采集模块（2）包含各类传感器(8)：温度传感器，湿度传感器，气压传感器等；该信息采集模块（2）通过螺钉或硅胶固定在所述隔温板（2b）上，各传感器透过金属网对外收集信息。

6.根据权利要求1所述的实用快速充气球形机器人，其特征在于：所述卫星通讯模块为基于铱星SBD9602模块开发的通讯模块，包含一块SBD9602模块，扩展板一块，铱星车载天线一台。

7.根据权利要求1所述的快速充气球形机器人，其特征在于：所述内部核心处理模块（3）通过贴片拉点（4a）与内层球膜（6）内侧贴片拉点（4a）连接，保证在球形机器人运动过程中能基本维持在球体中心位置。