CN107834901B - 一种风驱动联合发电球形探测器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种风驱动联合发电球形探测器，包括外球壳、发电管道A、发电管道B、管道连接件、内球壳、压电发电单元；所述外球壳为具有一定柔性的两个半球壳拼合而成，所述内球壳由两个硬质半球壳拼合固定而成，在内外球壳的密闭空腔内，其前后、左右、上下相互垂直的安装六根发电管道B连接内外球壳，每个发电管道B的顶端与其相垂直平面内的四根发电管道B的顶端通过管道连接件连接，组成类八面体结构，所述内球壳的内部空间对称布置若干压电发电单元，发电管道A、发电管道B、压电发电单元共同组成电能采集装置。本发明整体结构装配简单，空间布置合理，能够实现在任意风向下的联合发电。
Description
技术领域
本发明涉及一种风驱动联合发电球形探测器，属于极地探测机器人领域。
背景技术
南极，是地球上最后一个被发现、没有人定居的大陆。但是由于其蕴藏着丰富的矿产资源，对它的勘探就成了趋势所向。南极的自然条件恶劣，寒冷和常年大风的生态环境使得人员无法长期居住，也就无法给探测机器人补充能源。因此考虑使用能够自发电的球形机器人进行探测。
球形机器人相比于传统的轮式、轨道式或足式移动机器人，具有运动效率高、能量损耗小、零转向角和不会倾倒的特性。所有的探测用传感器和控制系统等都安装于球体内部，有效地和外部的环境隔离开来。
球形机器人的驱动方式主要有主动驱动和被动驱动两种。主动驱动式球形机器人是依靠自带能源和球体内部的机械结构、通过改变球体重心的方式驱动球体滚动。这种驱动方式的球形机器人可以实现对运行路径的精确控制，但是需要耗费大量的能量。被动驱动式球形机器人主要是依靠外界的作用力，如风力驱动其运动。这种驱动方式的球形机器人不需要自身提供能源，仅需借助外界能量就能运动，但其缺点也很明显，就是运动不可控，并且受外界环境影响很大。
综合考虑球形机器人的运动特点和南极的生态环境，选用被动式球形机器人，利用南极常年大风，驱动球形机器人运动，实现探测的目的。2012年加州理工学院和美国NASA喷气推进实验室共同研制了一种名为Moball的能量自给的球形机器人。该球形机器人的设计目的是作为一种新型的外星球以及极地探测器，主要驱动方式为风力驱动，内部的安装有多个管道式电磁发电装置，可以将球体滚动中产生的机械能部分转化为电能进行储存或给负载供电，可以实现机器人的能量完全自给。中国发明专利ZL201310558991.0公开了“一种极地长续航风力驱动式球形机器人”，该球形机器人通过内球壳表面的太阳能薄膜将光能转换为电能，但是太阳能转换为电能的装置以及环境要求较高，不适合用作极地探测的能量供给来源。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提出一种风驱动联合发电球形探测器，能够实现在极地常年大风环境下长续航长距离的极地探测。
为了实现以上目的，本发明采用如下技术方案：
一种风驱动联合发电球形探测器，包括外球壳、发电管道A、发电管道B、管道连接件、内球壳、压电发电单元；所述外球壳为具有一定柔性的两个半球壳拼合而成，所述内球壳由两个硬质半球壳拼合固定而成，在内外球壳的密闭空腔内，其前后、左右、上下相互垂直的安装六根发电管道B连接内外球壳，每个发电管道B的顶端与其相垂直平面内的四根发电管道B的顶端通过管道连接件连接，组成类八面体结构，所述内球壳的内部空间对称布置若干压电发电单元，发电管道A、发电管道B、压电发电单元共同组成电能采集装置。
所述管道连接件的结构是，四根细管道与中心粗管道呈45°十字交叉，四根细管间隔90°布置，其中，中心粗管道固定于发电管道B上，四根细管道用于连接发电管道A。
所述发电管道B包括圆柱形磁体B、线圈B、管道B、磁铁B和端盖；所述圆柱形磁体B由永磁体两端加铁片组成，放置于管道B内部，两个线圈B等距布置在管道B长度的三等分点处，管道B为塑料质透明管道，两端处磁铁B与圆柱形磁体B同极性相对布置，通过端盖固定；球形探测器随风滚动过程中，圆柱形磁体B在管道内往复运动，切割磁感线产生电能，在到达端盖处时，受到磁铁B的斥力，减少对端盖的冲击力。
所述发电管道A与发电管道B的结构相似，包括圆柱形磁体A、线圈A、管道A、磁铁A；所述圆柱形磁体A放置于管道A内部，考虑磁铁B和磁铁A间的相互影响，磁铁A布置于距离管道A两端一定距离处，以消除磁体间的相互作用力，所述线圈A等距布置在两个磁铁A之间的长度的三等分点处。
所述压电发电单元包括压电陶瓷、悬臂梁和质量块；所述质量块固定在悬臂梁的一端，所述压电陶瓷固定在悬臂梁的悬臂上。
本发明与现有技术相比，具有如下突出实质性特点和显著优点：
（1）本发明属于风力驱动球形机器人，其结构和功能主要针对南极特殊强风环境而设计，主要的应用在于南极科考时的数据采集。其主要依靠风能驱动，可以节省大量的能量，再加上自身的能量收集装置，可以最大程度上提高续航能力。
（2）在原有的电磁发电基础上改进了发电单元，通过增加线圈的个数来提高发电量，通过两端安装极性相同的磁体来减少对端盖的冲击，延长使用寿命。设计了类八面体的管道布置结构，可以收集球形探测器任意方向滚动时的能量。
（3）在之前很多设计中都忽略了球形探测器滚动过程中的振动能量，因此在本设计中加入了压电发电单元，在内球壳里空间对称布置，互不干扰，可以收集球形探测器任意方向振动时产生的能量并通过正压电效应转换为电能。
（4）本发明整体结构装配简单，空间布置合理，能够实现在任意风向下的联合发电。
附图说明
图1为本发明的整体立体结构示意图。
图2为本发明中压电发电单元的结构示意图。
图3为本发明中发电管道连接件的结构示意图。
图4为本发明中发电管道B的结构示意图。
图5为本发明中发电管道A的结构示意图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
如图1所示，一种风驱动联合发电球形探测器，包括外球壳1、发电管道A2、发电管道B3、管道连接件4、内球壳5、压电发电单元6；所述外球壳1为具有一定柔性的两个半球壳拼合而成，所述内球壳5由两个硬质半球壳拼合固定而成，在内外球壳的密闭空腔内，其前后、左右、上下相互垂直的安装六根发电管道B3连接内外球壳，每个发电管道B3的顶端与其相垂直平面内的四根发电管道B3的顶端通过管道连接件4连接，组成类八面体结构，所述内球壳5的内部空间对称布置若干压电发电单元6，发电管道A2、发电管道B3、压电发电单元6共同组成电能采集装置。
如图2所示，所述压电发电单元6包括压电陶瓷6-A、悬臂梁6-B和质量块6-C；所述质量块6-C固定在悬臂梁6-B的一端，所述压电陶瓷6-A固定在悬臂梁6-B的悬臂上。在球形探测器随风滚动过程中，碰撞障碍物产生振动时，质量块6-C往复摆动，带动悬臂梁6-B以及贴在悬臂梁6-B上的压电陶瓷6-A发生形变，产生电能。本实施例8个压电发电单元6在内球壳5内空间对称布置，收集球形探测器滚动过程中的振动能量。
如图4和图5所示，所述发电管道B3包括圆柱形磁体B3-A、线圈B3-B、管道B3-C、磁铁B3-D和端盖3-E；所述圆柱形磁体B3-A由永磁体两端加铁片组成，放置于管道B3-C内部，两个线圈B3-B等距布置在管道B3-C长度的三等分点处，管道B3-C为塑料质透明管道，两端处磁铁B3-D与圆柱形磁体B3-A同极性相对布置，通过端盖3-E固定；球形探测器随风滚动过程中，圆柱形磁体B3-A在管道内往复运动，切割磁感线产生电能，在到达端盖3-E处时，受到磁铁B3-D的斥力，减少对端盖3-E的冲击力。所述发电管道A2与发电管道B3的结构相似，包括圆柱形磁体A2-A、线圈A2-B、管道A2-C、磁铁A2-D；所述圆柱形磁体A2-A放置于管道A2-C内部，考虑磁铁B3-D和磁铁A2-D间的相互影响，磁铁A2-D布置于距离管道A2-C两端一定距离处，以消除磁体间的相互作用力，所述线圈A2-B等距布置在两个磁铁A2-D之间的长度的三等分点处。各发电管道能够独立发电，互不影响。
如图3所示，所述管道连接件4的结构是，四根细管道与中心粗管道呈45°十字交叉，四根细管间隔90°布置，其中，中心粗管道固定于发电管道B3上，四根细管道用于连接发电管道A2。整体14根发电管道，包括6根空间内十字交叉布置的发电管道B3和8根空间发散布置的发电管道A2，通过管道连接件4在球体内部组成一个类八面体的整体发电单元，可以保证球形探测器在任意方向滚动时都有电能产生。
Claims (4)
1.一种风驱动联合发电球形探测器，其特征在于，包括外球壳(1)、发电管道A(2)、发电管道B(3)、管道连接件(4)、内球壳(5)、压电发电单元(6)；所述外球壳(1)为具有一定柔性的两个半球壳拼合而成，所述内球壳(5)由两个硬质半球壳拼合固定而成，在内外球壳的密闭空腔内，其前后、左右、上下相互垂直的安装六根发电管道B(3)连接内外球壳，每个发电管道B(3)的顶端与其相垂直平面内的四根发电管道B(3)的顶端通过管道连接件(4)连接，组成类八面体结构，所述内球壳(5)的内部空间对称布置若干压电发电单元(6)，发电管道A(2)、发电管道B(3)、压电发电单元(6)共同组成电能采集装置；所述管道连接件(4)的结构是，四根细管道与中心粗管道呈45°十字交叉，四根细管间隔90°布置，其中，中心粗管道固定于发电管道B(3)上，四根细管道用于连接发电管道A(2)；整体14根发电管道，包括6根空间内十字交叉布置的发电管道B(3)和8根空间发散布置的发电管道A(2)，通过管道连接件(4)在球体内部组成一个类八面体的整体发电单元。
2.根据权利要求1所述的风驱动联合发电球形探测器，其特征在于，所述发电管道B(3)包括圆柱形磁体B(3-A)、线圈B(3-B)、管道B(3-C)、磁铁B(3-D)和端盖(3-E)；所述圆柱形磁体B(3-A)由永磁体两端加铁片组成，放置于管道B(3-C)内部，两个线圈B(3-B)等距布置在管道B(3-C)长度的三等分点处，管道B(3-C)为塑料质透明管道，两端处磁铁B(3-D)与圆柱形磁体B(3-A)同极性相对布置，通过端盖(3-E)固定；球形探测器随风滚动过程中，圆柱形磁体B(3-A)在管道内往复运动，切割磁感线产生电能，在到达端盖(3-E)处时，受到磁铁B(3-D)的斥力，减少对端盖(3-E)的冲击力。
3.根据权利要求1所述的风驱动联合发电球形探测器，其特征在于，所述发电管道A(2)与发电管道B(3)的结构相似，包括圆柱形磁体A(2-A)、线圈A(2-B)、管道A(2-C)、磁铁A(2-D)；所述圆柱形磁体A(2-A)放置于管道A(2-C)内部，考虑磁铁B(3-D)和磁铁A(2-D)间的相互影响，磁铁A(2-D)布置于距离管道A(2-C)两端一定距离处，以消除磁体间的相互作用力，所述线圈A(2-B)等距布置在两个磁铁A(2-D)之间的长度的三等分点处。
4.根据权利要求1所述的风驱动联合发电球形探测器，其特征在于，所述压电发电单元(6)包括压电陶瓷(6-A)、悬臂梁(6-B)和质量块(6-C)；所述质量块(6-C)固定在悬臂梁(6-B)的一端，所述压电陶瓷(6-A)固定在悬臂梁(6-B)的悬臂上。
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