CN107956641B - 一种复合式发电的球形机器人 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种复合式发电的球形机器人，包括外球壳、连接头、中空发电管道、固定件、连接管道、单电极摩擦发电装置，在外球壳的一条直径的两端固定两个固定件，每个固定件上均匀设置有六个连接口，每个连接口与固定件的底面之间夹角为30˚，每两个连接口之间的夹角为60˚，所述中空发电管道之间通过连接头连接成一个电磁发电装置，电磁发电装置的两端固定连接两个固定件的对应的连接口上；所述单电极摩擦发电装置通过连接管道固定连接两个固定件的对应的连接口上。本发明采用电磁、摩擦复合发电，能够在任意风向下实现大功率的均衡发电，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的应用。

Description

一种复合式发电的球形机器人
技术领域
本发明涉及一种复合式发电的球形机器人，是一种能应用于极地环境进行长续航探测工作的球形机器人。
背景技术
极地具有丰富的油气、铁矿等资源，所以对极地的探测具有重大的战略意义。由于极地环境特殊，所以对极地科考机器人也提出了更多的要求。目前大多数的极地科考机器人都是依靠自身所携带的电池或者燃料进行工作，尚无法实现长时间、远距离的续航工作。所以如何在极地环境下实现机器人长续航长距离的探测工作是一个研究难题，关键在于机器人能源的再生系统以及其运动形式。
其中，球形机器人作为一种滚动式机器人，与传统的轮式、轨道式或足式移动机器人相比，具有良好的动态稳定性、运动连续性强的特点，更适合极地复杂的地理环境。自1996年芬兰赫尔辛基科技大学和流浪者公司共同研制出第一个球形运动机器人后，球形机器人渐渐地成为了国内外机器人研究领域的一大热点。但是其更多的是在研究球形机器人的主动控制驱动方式，该类机器人大多不具有能源再生系统。1999年，美国航空航天研究所依据风滚草原理研制了一种充气式球形机器人，内部装备了太阳能电池板进行能源供给，如果直接应用于极地探测，存在诸多问题，一方面极地的阳光强度小，不利于电池板的光电转换；再者，球形机器人的结构特殊，不利于电池板的安装，而且在科考过程中易损坏。2012年，美国NASA喷气推进实验室和加州理工学院共同研制了一种能够进行能力采集的球形机器人Moball，其通过内部安装的6条相互正交的发电管道实现能源的再生，但是其管道较少，在运动过程中发电频率太低，不利于后续电能的处理。
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”，该机器人通过内球壳表面的太阳能薄膜进行能源的获取和储存，但是其气囊式球壳的密闭性要求高，而且球面状太阳能薄膜光电转化效率低，不能够真正地实现长续航的极地探测工作。中国发明专利201610532055.6公开了“一种优选类甲烷结构风驱式电磁发电球形机器人”，该机器人完全采用风力驱动，实现自由涌动，运动不可控，内部按照甲烷结构布置发电管道来为传感器系统供电，但是其发电频率低，难以提供足够的能量。
发明内容
本发明的目的在于针对以上问题，提出一种复合式发电的球形机器人，能够实现在极地低温强风环境下长续航长距离的极地探测。该机器人结合了电磁和摩擦两种发电方式，保证了电能的长续航。
为了实现以上功能，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，利用电磁和摩擦的复合发电实现长续航长距离的工作。电磁发电管道由两个固定件和多个连接头实现与外球壳的连接固定。管道内部包括由弹簧连接的磁块、自由滑动的激振子，外部固定有铜线圈。发电管道均采用偏心均布方式，长度适中，适合极地的强风环境。
根据以上发明构思，本发明采用以下技术方案：
一种复合式发电的球形机器人，包括外球壳、连接头、中空发电管道、固定件、连接管道、单电极摩擦发电装置，在外球壳的一条直径的两端固定两个固定件，每个固定件上均匀设置有六个连接口，每个连接口与固定件的底面之间夹角为30˚，每两个连接口之间的夹角为60˚，所述中空发电管道之间通过连接头连接成一个电磁发电装置，电磁发电装置的两端固定连接两个固定件的对应的连接口上；所述单电极摩擦发电装置通过连接管道固定连接两个固定件的对应的连接口上。
所述中空发电管道的结构包括铜线圈、激振子、永磁体、弹簧，所述铜线圈紧密缠绕在中空发电管道外壁的两端；所述的激振子置于中空发电管道的中空管道内，能够沿管道方向在重力作用下往复运动；中空发电管道的两端各设置有一个弹簧，所述弹簧的一端与中空管道的端面连接，另一端与永磁体连接；所述永磁体在激振子以及重力的作用下沿中空管道往复运动。
所述单电极摩擦发电装置包括内球壳、摩擦片和摩擦片安装件，所述内球壳通过连接管道与固定件连接；所述的摩擦片为绝缘材料，安装在摩擦片安装件上，整体放置于内球壳内部，球形机器人在运动时，摩擦片在内球壳内与其内表面实现接触和分离动作。
所述内球壳内表面涂有PDMS复合膜和金属电极。
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）该机器人内部结构均对称布置，启动力矩小，运动平稳。
（2）本发明属于风驱式自发电机器人，结合了电磁发电和摩擦发电两种发电方式，其结构和功能主要针对南极强风这一特殊环境设计的，主要应用于极地环境数据的采集。
（3）该机器人的摩擦发电部分采用单电极发电，有利于简化后续电能收集电路的布线。
附图说明
图1是本发明的整体立体结构示意图。
图2是本发明的中空发电管道结构图。
图3是本发明的固定件结构图。
图4是本发明的摩擦发电部分结构图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1至图4，一种复合式发电的球形机器人，包括外球壳1、连接头2、中空发电管道3、固定件8、连接管道9、单电极摩擦发电装置，在外球壳1的一条直径的两端固定两个固定件8，每个固定件8上均匀设置有六个连接口，每个连接口与固定件8的底面之间夹角为30˚，每两个连接口之间的夹角为60˚，所述中空发电管道3之间通过连接头2连接成一个电磁发电装置，电磁发电装置的两端固定连接两个固定件8的对应的连接口上；所述单电极摩擦发电装置通过连接管道9固定连接两个固定件8的对应的连接口上。
所述中空发电管道3的结构包括铜线圈4、激振子5、永磁体6、弹簧7，所述铜线圈4紧密缠绕在中空发电管道3外壁的两端；所述的激振子5置于中空发电管道3的中空管道内，能够沿管道方向在重力作用下往复运动；中空发电管道3的两端各设置有一个弹簧7，所述弹簧7的一端与中空管道3的端面连接，另一端与永磁体6连接；所述永磁体6在激振子5以及重力的作用下沿中空管道往复运动。
所述单电极摩擦发电装置包括内球壳10、摩擦片11和摩擦片安装件12，所述内球壳10通过连接管道9与固定件8连接；所述的摩擦片11为绝缘材料，安装在摩擦片安装件12上，整体放置于内球壳10内部，球形机器人在运动时，摩擦片11在内球壳10内与其内表面实现接触和分离动作。
所述外球壳1采用碳纤维材料，使其内部构件能够有效地隔绝外部环境。所述内球壳10内表面涂有PDMS复合膜和金属电极。
该球形机器人运动以及发电原理如下：
球形机器人在风力驱动下被动滚动，外球壳1内部安装了中空发电管道3，其内置永磁体6在激振子5和弹簧7的作用下往复运动，整个过程中不断地改变通过缠绕在中空发电管道3外壁的铜线圈4的磁通量，根据法拉第电磁感应定律，该过程会产生感应电流，而且该机器人内部的管道采用空间对称布置，使其对任意风向驱动时将会有至少12根中空发电管道3产生电能。同时，摩擦片11固定在摩擦片安装件12上，整体置于内球壳10内，摩擦片11在球体滚动的过程中与内球壳10表面的PMDS复合膜的接触面积不断地发生改变，根据摩擦生电效应，该过程中会发生电子的转移，即产生电能。

Claims (2)

1.一种复合式发电的球形机器人，包括外球壳（1）、连接头（2）、中空发电管道（3）、固定件（8）、连接管道（9）、单电极摩擦发电装置，其特征在于，在外球壳（1）的一条直径的两端固定两个固定件（8），每个固定件（8）上均匀设置有六个连接口，每个连接口与固定件（8）的底面之间夹角为30˚，每两个连接口之间的夹角为60˚，所述中空发电管道（3）之间通过连接头（2）连接成一个电磁发电装置，电磁发电装置的两端固定连接两个固定件（8）的对应的连接口上；所述单电极摩擦发电装置通过连接管道（9）固定连接两个固定件（8）的对应的连接口上；
所述中空发电管道（3）的结构包括铜线圈（4）、激振子（5）、永磁体（6）、弹簧（7），所述铜线圈（4）紧密缠绕在中空发电管道（3）外壁的两端；所述的激振子（5）置于中空发电管道（3）的中空管道内，能够沿中空发电管道（3）方向在重力作用下往复运动；中空发电管道（3）的两端各设置有一个弹簧（7），所述弹簧（7）的一端与中空发电管道（3）的端面连接，另一端与永磁体（6）连接；所述永磁体（6）在激振子（5）以及重力的作用下沿中空发电管道（3）往复运动；
所述单电极摩擦发电装置包括内球壳（10）、摩擦片（11）和摩擦片安装件（12），所述内球壳（10）通过连接管道（9）与固定件（8）连接；所述的摩擦片（11）为绝缘材料，安装在摩擦片安装件（12）上，整体放置于内球壳（10）内部，球形机器人在运动时，摩擦片（11）在内球壳（10）内，使摩擦片（11）与内球壳（10）内表面实现接触和分离动作；
所述球形机器人在风力驱动下被动滚动，外球壳（1）内部安装了中空发电管道（3），其内置永磁体（6）在激振子（5）和弹簧（7）的作用下往复运动，整个过程中不断地改变通过缠绕在中空发电管道（3）外壁的铜线圈（4）的磁通量，根据法拉第电磁感应定律，产生感应电流，而且该机器人内部的中空发电管道（3）采用空间对称布置，使复合式发电的球形机器人对任意风向驱动时将会有至少12根中空发电管道（3）产生电能；同时，摩擦片（11）固定在摩擦片安装件（12）上，整体置于内球壳（10）内，摩擦片（11）在球体滚动的过程中与内球壳（10）表面的PMDS复合膜的接触面积不断地发生改变，根据摩擦生电效应，会发生电子的转移，即产生电能。
2.根据权利要求1所述的复合式发电的球形机器人，其特征在于，所述内球壳（10）内表面涂有PDMS复合膜和金属电极。
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