CN103587601B - 极地长续航风力驱动式球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种极地长续航风力驱动式球形机器人。该机器人包括一个双层柔性气囊球壳、若干个拉绳、太阳能薄膜、一个内部刚性球壳、四个支撑管和弹簧减震装置，所述的双层柔性气囊球壳的内外球壳通过均匀分布的若干个拉绳进行连接，双层球壳结构形成了一个独立气腔；所述的内部刚性球壳位于球心，与内部柔性球壳通过各个支撑管相连接，内置控制系统及电源模块；所述的太阳能薄膜安装在双层柔性气囊球壳内球壁上，与刚性球壳内的电源模块相连；所述的支撑管中空且每个支撑管与相应的弹簧减震装置相连。本发明通过风能被动式驱动，通过太阳能提供能源，具有良好的环境适应性和长续航特性，可广泛适用于极地等未知环境下探测应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种极地长续航风力驱动式球形机器人，是一种能应用于极地环境进行长续航探测工作的柔性表面球形机器人。
背景技术
极地环境是一个低温、低光照和强风环境，对极地的探测具有重大的战略意义。为了探索极地环境，智能机器人应用正受到广泛关注。如何在极地环境下实现机器人长续航探测工作是一个研究难题，关键在于机器人能源的获取方式和环境适应性等指标。
其中，球形机器人作为一种新颖的移动机器人，同传统的轮式、履带式或足式移动机器人相比，具有一定的野外适应能力，不容易倾覆失效特性。球形机器人的研究工作已经开展了几十年了，自从芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆(Halme)等人于1996年制作了第一个球形机器人后，球形机器人逐渐成为国内外智能机器人研究领域的热点之一。在国外，意大利比萨大学、瑞典乌普萨拉大学和Rotimdus公司、NASA、加拿大魁北克省舍布鲁克大学等先后开展球形机器人研究，推出不同功能的球形机器人。在国内也有一些单位和学者开始方面的探索，北京邮电大学、北京航空航天大学、上海交通大学、苏州大学、国防科技大学和西安电子科技大学等院校都在球形机器人研究方面取得了一定的研究成果。
总体来看，现有的球形机器人根据功能的不同，方案各有千秋，基本上可以分为：小车驱动、配重驱动、电磁驱动以及风力驱动四种形式。小车形式可控性差；配重形式需要多个电机驱动，负载过大；电磁驱动要求结构配合很精密；风力驱动缺点是负载能力差，过度依赖风能。目前球形机器人所使用的基本上都为硬质材料球壳体，与地面基本为点接触，接触面小，需要控制精度较高；主动式球形机器人在大尺寸时负载过大，不利于极地环境的适应；风力驱动式球形机器人在风能充足的极地的运动为不可控，为了获得更多探测数据，长续航成为重要衡量指标。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，运动不可控，且内部系统供电需要额外电源，这样无法实现长续航长距离的野外极地作业需要。
发明内容
本发明的目的在于针对以上问题，提出一种极地长续航风力驱动式球形机器人，能满足在极地低温强风环境下长续航长距离的极地探测需求。
为了达到上述要求，本发明的构思是：
本发明采用球形机构，能够很好的适应极地环境进行探测工作。机器人利用极地再生能源风能进行被动驱动，利用太阳能实现长续航长距离的工作。采用双层柔性气囊球壳结构形成封闭的独立气腔，实现保护缓震作用，同时由于独立气腔的体积较小也解决了大尺寸柔性球体的充气慢问题；所采用的控制系统和电源模块安装在内部刚性球壳内，并用四根支撑管与柔性球壳内球相连接；采用的支撑管中空且每个支撑管与相应的弹簧减震装置相连，以确保内部核心系统能够正常工作在比较恶劣的外部环境中。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种极地长续航风力驱动式球形机器人，包括一个双层柔性气囊球壳、若干个拉绳、太阳能薄膜、一个内部刚性球壳、四个支撑管和弹簧减震装置，其特征在于：所述的双层柔性气囊球壳的内外球壳通过均匀分布的若干个拉绳进行连接，双层柔性气囊球壳结构形成了一个独立气腔；所述的内部刚性球壳位于球心，与内部柔性球壳通过各个支撑管相连接，内置控制系统及电源模块；所述的太阳能薄膜安装在双层柔性气囊球壳内球壁上，与内部刚性球壳内的电源模块相连；所述的支撑管中空且每个支撑管与相应的弹簧减震装置相连。机器人通过风力被动式驱动，双层柔性气囊球壳形成的独立气腔在与外部环境相互作用时产生形变，达到缓冲保护作用；若外部环境相互作用力太大导致双层柔性气囊球壳形变太大，通过支撑管和弹簧减震装置的作用，达到减震的效果。在相互作用结束后，双层柔性气囊球壳和弹簧减震装置恢复原来状态。
双层柔性气囊球壳结构形成的独立气腔体积较小，大大减少了充气比；同时采用软材料，该软材料为热塑性聚氨酯弹性复合材料TPU，具有弹性和可变形性，且密闭透明，外型美观。
机器人在运动时，遇到外部环境相互作用较大时，通过双层柔性气囊球壳形变和弹簧减震装置作用保持内部刚性球壳及内部控制系统、电源模块的稳定性。
本发明与现有技术相比，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点：
(1)结构简单，体积较大，空间尺寸可为直径2.8m的球，能高效率的使用风能作为驱动能源，安装方便，且外型美观；
(2)无任何体积大或质量重的机械装置，大大减少了机器人的负载，提高了机器人运动的自由性和灵活性；
(3)机器人运动遇到外部环境相互作用较大时，通过自身结构装置调整，可有效适应极地复杂地形；
(4)通过太阳能薄膜进行再生能源利用，实现长续航长距离的野外极地作业需要。
附图说明
图1是本发明的整体立体结构示意图。
图2是本发明在平坦地面上运动示意图。
图3是本发明碰到障碍物运动示意图。
图4是本发明在低落差地面上运动示意图。
图5是本发明在高落差地面上运动示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例作进一步的说明。
实施例一：
参见图1，本极地长续航风力驱动式球形机器人，包括一个双层柔性气囊球壳（1）、太阳能薄膜（3）和一个内部刚性球壳（6），其特征在于：所述的双层柔性气囊球壳（1）的内外球壳（1-A、1-B）通过均匀分布的若干个拉绳（2）进行连接，双层柔性气囊球壳（1）形成了一个独立气腔；所述的内部刚性球壳（6）位于球心，与双层柔性气囊球壳（1）的内球壳（1-B）通过四个支撑管（5）相连接，内置控制系统及电源模块；所述的太阳能薄膜（3）安装在双层柔性气囊球壳（1）的内球壳（1-B）壁上，与内部刚性球壳（6）内的电源模块相连；所述的支撑管（5）中空且每个支撑管（5）与一个相应的弹簧减震装置（4）相连；机器人通过风力被动式驱动，双层柔性气囊球壳（1）形成的独立气腔在与外部环境相互作用时产生形变，达到缓冲保护作用；若外部环境相互作用力太大导致双层柔性气囊球壳（1）形变太大，通过支撑管（5）和弹簧减震装置（4）的作用，达到减震的效果；在相互作用结束后，双层柔性气囊球壳（1）和弹簧减震装置（4）恢复原来状态。
实施例二：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：所述双层柔性气囊球壳（1）采用软材料，该软材料为热塑性聚氨酯弹性复合材料TPU，具有弹性和可变形性且密闭透明。双层柔性气囊球壳（1）的由内外球壳（1-A、1-B）构成，大大减少了充气比，解决了大尺寸柔性球体的充气慢问题。所述支撑管（5）、内部刚性球壳（6）以及弹簧减震装置（4）构成了球形机器人的刚性结构。
实施例三：
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：参见图1~图5，本极地长续航风力驱动式球形机器人，包括一个双层柔性气囊球壳（1）、若干个拉绳（2）、太阳能薄膜（3）、一个内部刚性球壳（6）、四个支撑管（5）和弹簧减震装置（4）。
支撑管（5）、内部刚性球壳（6）以及弹簧减震装置（4）构成了球形机器人的刚性结构。
双层柔性气囊球壳（1）采用软材料，该软材料为热塑性聚氨酯弹性复合材料TPU，具有弹性和可变形性且密闭透明，外型美观。双层柔性气囊球壳（1）由内外球壳（1-A、1-B）构成，大大减少了充气比，解决了大尺寸柔性球体的充气慢问题。
双层柔性气囊球壳（1）的内外球壳（1-A、1-B）通过均匀分布的若干个拉绳（2）进行连接，双层柔性气囊球壳（1）结构形成了一个独立气腔，独立气腔在与外部环境相互作用时产生形变，达到缓冲保护作用；若外部环境相互作用力太大导致双层柔性气囊球壳（1）形变太大，通过支撑管（5）和弹簧减震装置（4）的作用，达到减震的效果。在相互作用结束后，双层柔性气囊球壳（1）和弹簧减震装置（4）恢复原来状态。
实施例四：本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下：机器人通过风能被动驱动，大尺寸的外形能够高效利用极地充足的风能，具有很高的自由性和灵活性。同时通过安装在太阳双层柔性气囊球壳（1）内球壳（1-B）的太阳能薄膜，进行能源的获取和储存，实现机器人长续航长距离的探测工作。
本发明的工作过程如下：
球形机器人通过极地充足的风能进行被动驱动，实现各种运动，具有很高的自由性和灵活性。内部刚性球壳（6）位于球心，内置控制系统、电源模块及传感器，传感器实时掌握球形机器人的位姿信息，采集极地不同地方的气候参数。同时太阳能薄膜（3）安装在双层柔性气囊球壳（1）内球壁（1-B）上，与内部刚性球壳（6）内的电源模块相连，进行能源的获取和储存，实现机器人长续航长距离的探测工作。机器人运动时，通过双层柔性气囊球壳（1）形成的独立气腔结构和支撑管（5）和弹簧减震装置（4）的作用，可达到缓冲减震的效果，增加机器人的使用寿命，使机器人更好的适应极地恶劣环境。
Claims (6)
1.一种极地长续航风力驱动式球形机器人，包括一个双层柔性气囊球壳（1）、太阳能薄膜（3）和一个内部刚性球壳（6），其特征在于：所述的双层柔性气囊球壳（1）的内外球壳（1-A、1-B）通过均匀分布的若干个拉绳（2）进行连接，双层柔性气囊球壳（1）形成了一个独立气腔；所述的内部刚性球壳（6）位于球心，与双层柔性气囊球壳（1）的内球壳（1-B）通过四个支撑管（5）相连接，内置控制系统及电源模块；所述的太阳能薄膜（3）安装在双层柔性气囊球壳（1）的内球壳（1-B）壁上，与内部刚性球壳（6）内的电源模块相连；所述的支撑管（5）中空且每个支撑管（5）与一个相应的弹簧减震装置（4）相连；机器人通过风力被动式驱动，双层柔性气囊球壳（1）形成的独立气腔在与外部环境相互作用时产生形变，达到缓冲保护作用；若外部环境相互作用力太大导致双层柔性气囊球壳（1）形变太大，通过支撑管（5）和弹簧减震装置（4）的作用，达到减震的效果；在相互作用结束后，双层柔性气囊球壳（1）和弹簧减震装置（4）恢复原来状态。
2.根据权利要求1所述的极地长续航风力驱动式球形机器人，其特征在于：所述双层柔性气囊球壳（1）采用软材料，该软材料为热塑性聚氨酯弹性复合材料TPU，具有弹性和可变形性且密闭透明。
3.根据权利要求1所述的极地长续航风力驱动式球形机器人，其特征在于：所述支撑管（5）、内部刚性球壳（6）以及弹簧减震装置（4）构成了球形机器人的刚性结构。
4.根据权利要求1所述的极地长续航风力驱动式球形机器人，其特征在于：所述双层柔性气囊球壳（1）由内外球壳（1-A、1-B）构成，大大减少了充气比。
5.根据权利要求1所述的极地长续航风力驱动式球形机器人，其特征在于：机器人在运动时，遇到外部环境相互作用较大时，通过双层柔性气囊球壳（1）形变和弹簧减震装置（4）作用保持内部刚性球壳（6）及内部控制系统、电源模块的稳定性。
6.根据权利要求1所述的极地长续航风力驱动式球形机器人，其特征在于：机器人通过太阳能薄膜（3）进行能源的获取和储存，实现机器人长续航长距离的探测工作。
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