CN110758033A - 自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,包括：自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、智能控制器、蓄电池A及电路、定位器、环境传感器、密闭舱、前端浮体、后端浮体、框架；在陆地上进行行走或者在水中浮游航行过程中，其振动力或水中压力能够分别驱动压电发电型轮足装配的压电发电器A和压电发电型轮桨上装配的压电发电器B产生压电发电效应，能够驱动装配在框架下面的微纳米摩擦发电器产生摩擦发电效应；装配的光伏球体双模式发电器具有太阳光伏发电模式和远程激光致光伏发电模式。因此，本发明具有自采集多种能量来进行发电的功能。
Description
技术领域
本发明属于水陆两栖机器人开发应用技术领域，更具体地涉及自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人。
背景技术
人类目前对海洋与岛礁的研究范围大多还停留在近海、湖泊和沼泽等近海环境。从海洋与岛礁的研究和开发前景来看，由于海洋与岛礁的环境复杂性，人们无法像在大陆上一样做到行动自如，因此研制一种代替人类进行海洋与岛礁环境探测、任务执行的两栖机器人能够帮助人们更加有利于实现海洋和岛礁的测量、探索与开发。
目前国内外研究设计的机器人种类较多，根据它们推进器原理的不同，可以大致分为轮式机器人、腿式机器人和类蛇机器人。轮式机器人最大的特点是移动时能量损失少，移动较快，效率较高，但是对环境地形要求也较高，因此不适应于某些特殊的环境，也不适应在水中航行；腿式推进器机器人一般包括：大腿、小腿、脚踝等部分，在陆地上具有较强的越障能力，对不规则地形也具有较好的适应能力，但是不适应在水中航行；类蛇形推进器机器人对运动的空间要求较低，可以应用于特殊环境及救灾等工作，也能够在水中航行，但是在极恶劣环境下效率会降低；目前，两栖仿生类机器人虽然在一定程度上能够实现水陆两栖运动，但由于其机械结构复杂多变，控制要求也较高，其能量消耗及需求相对比一般机器人要高很多，因此推广于实际的应用中还有一些技术障碍问题需要解决。
当前，如何开发在海洋与岛礁都能够方便进行工作的机器人，如何进一步提高水陆两栖机器人的各项性能，如何进一步满足两栖机器人在长时间航行过程中对能量的需求，这些问题有待人们解决。
发明内容
针对当前在两栖机器人领域存在的系列技术问题，本发明提供自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，以提高两栖机器人的各项性能。
本发明提供自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,包括两种工作模式：陆地爬行自采集能量发电工作模式、水中浮游自采集能量发电工作模式；所述自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,包括：若干自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、智能控制器、蓄电池A及电路、定位器、环境传感器、密闭舱、前端浮体、后端浮体、框架；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块固定装配在框架的两侧面；所述光伏球体双模式发电器装配在框架的后端上面；所述执行功能模块装配在框架的前端上面；所述环境传感器装配在靠近框架的前端的上面；所述智能控制器、蓄电池A及电路、定位器均装配在密闭舱内；所述密闭舱装配在框架的中部上面；所述前端浮体装配在框架的前端下面；所述后端浮体装配在框架的后端下面；所述微纳米摩擦发电器装配在框架的中部下面；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、蓄电池A及电路、定位器、环境传感器、密闭舱均与智能控制器相连接；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、定位器、环境传感器和智能控制器均通过电路与蓄电池A相连接。
上述方案中，所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块，包括：若干个自采集能量发电型轮足桨、轮毂、轮轴、轴承、轮足桨旋转驱动电机、轮足桨旋转驱动连接件、轮足桨角度回转驱动电机、轮足桨角度回转驱动连接件；所述轴承装配在轮轴的外侧；所述轮轴的一端与轮毂连接；所述轮轴的另一端通过轮足桨旋转驱动连接件与轮足桨旋转驱动电机相连接；所述轮足桨旋转驱动连接件的侧面通过轮足桨角度回转驱动连接件与轮足桨角度回转驱动电机相连接；所述自采集能量发电型轮足桨，包括：压电发电型轮足和压电发电型轮桨；所述压电发电型轮足固定装配在压电发电型轮桨的一端；所述压电发电型轮桨的另一端按照一定的角度固定装配在轮毂和轮轴的连接部位，并构成旋转轮形态结构。
上述方案中，所述压电发电型轮足由压电发电器A与轮足端复合构成；所述压电发电型轮桨由压电发电器B与轮桨背面复合构成；所述压电发电器A和压电发电器B均包括：弹性基板、内电极层A、压电发电材料、外电极层A、外弹性保护层；所述弹性基板的一面与轮桨背面相连接；所述弹性基板的另一面与内电极层A的一面相连接；所述内电极层A的另一面与压电发电材料的一面相连接；所述压电发电材料的另一面与外电极层A的一面相连接；所述外电极层A的另一面与外弹性保护层相连接；所述内电极层A和外电极层A通过电路与蓄电池A相连接；所述压电发电型轮足和所述压电发电型轮桨的最外层均有防水与耐磨的弹性保护层。
上述方案中，所述光伏球体双模式发电器包括：光伏球体发电器、球体壳、电路器件及蓄电池B、支撑杆；所述球体壳采用中空结构的两个半圆体壳组合构成；所述光伏球体发电器复合在中空结构的两个半圆体壳的外表面；所述电路器件及蓄电池B装配在中空结构的两个半圆体壳内；所述支撑杆的一端与球体壳相连接；所述支撑杆的另一端与框架相固定连接；所述光伏球体发电器，包括：光伏薄膜层、柔性内电极层、柔性透明外电极层、激光器；所述柔性内电极层的一面复合在两个半圆体壳的外表面；所述柔性内电极层的另一面与光伏薄膜层的一面相连接；所述光伏薄膜层的另一面与柔性透明外电极层相连接；所述柔性内电极层和柔性透明外电极层通过电路与蓄电池B相连接；所述激光器独立设置；所述光伏球体双模式发电器，包括：太阳光伏发电模式、远程激光致光伏发电模式；所述远程激光致光伏发电模式具有远程无线传输激光能量的功能；所述远程激光致光伏发电模式由激光器、光伏薄膜层、蓄电池B及电路共同构成；所述激光器能够在远程辐照在光伏薄膜层上，产生光伏发电效应；所述激光器的发射波长与光伏薄膜层的吸收波长相匹配对应。
上述方案中，所述微纳米摩擦发电器，包括：内微纳米摩擦材料层、外微纳米摩擦材料层、内电极层B、外电极层B、内弹性支撑板、外弹性支撑板、内刚性连接件、外弹性连接件、固定件；所述内弹性支撑板的一面与框架的底部相连接；所述内弹性支撑板的另一面与内电极层B的一侧面相连接；所述内电极层B的另一侧面与内微纳米摩擦材料层的一面相连接；所述内微纳米摩擦材料层的两端分别通过内刚性连接件与固定件相连接；所述内微纳米摩擦材料层的另一面与外微纳米摩擦材料层的一面相对应，并保持一定的微小距离；所述外微纳米摩擦材料层的另一面与外电极层B的一面相连接；所述外电极层B的另一面与外弹性支撑板相连接；所述外微纳米摩擦材料层的两端分别通过外弹性连接件与固定件相连接；所述内电极层B和外电极层B通过电路与蓄电池A相连接。
上述方案中，所述内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层分别采用两种不相同的高分子聚合物材料,或分别采用高分子聚合物材料和金属材料；两种不相同的高分子聚合物材料或高分子聚合物材料/金属材料，分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
上述方案中，所述执行功能模块采用摄像器、机器人手臂、测量传感器中的一种或多种；所述前端浮体和后端浮体的材料采用三维石墨烯泡沫、有机泡沫、无机泡沫、复合材料泡沫中的一种或多种；所述定位器采用北斗定位系统及装置、GPS定位系统及装置中的一种；所述环境传感器采用风力传感器、压力传感器、温度传感器、水流传感器、路面传感器、坡度传感器中的一种或多种。
上述方案中，所述光伏球体发电器除了采用光伏薄膜层进行光伏发电，还可以采用太阳光伏电池复合在球体壳外层进行光伏发电；所述太阳光伏电池采用：柔性有机薄膜太阳能电池、柔性非晶硅薄膜太阳电池、染料敏化纳米晶太阳电池、硅基薄膜太阳电池、叠层量子点太阳电池、胶体量子点电池、聚合物太阳电池、无机-有机杂化太阳能电池、聚光型太阳能电池或微纳米阵列陷光结构型太阳电池中的任一种；所述叠层量子点太阳电池包括：多结叠层太阳电池、多带隙叠层太阳电池、量子点叠层太阳电池；所述硅基薄膜太阳电池包括：叠层非晶硅/微晶硅叠层电池组件；所述微纳米阵列陷光结构型太阳电池的表面具有微纳米材料阵列结构，并具有减反射陷光功能。
上述方案中，所述压电发电材料采用：聚偏氟乙稀(PVDF)、PZT压电薄膜、氧化锌(ZnO)薄膜、碳化铝(AlN)薄膜、钛酸钡、锆钛酸铅、铌酸盐钙钛矿、含铋钙钛矿、钛锆酸铅镧、钛酸铅、铌锌锆钛酸铅、铌锑、铌镁酸铅、铌钴酸铅、LiNbO3、LiTaO3、纳米压电材料或压电复合材料中的任一种；所述外弹性连接件、内弹性支撑板、和外弹性支撑板采用的材料为高可拉伸全碳气凝胶弹性体层、PDMS弹性体层、胶带弹性层或导电双面胶带弹性层、强力弹性橡胶、高密度海绵、强力弹簧、弹力有机高分子材料、硅胶、合成弹力材料或弹力复合材料中的任一种；所述弹性基板的材料采用：铝、铜、不锈钢中的一种；所述内电极层A、外电极层A、内电极层B、外电极层B、柔性内电极层、柔性透明外电极层的材料采用：Pt/Cr金属、Pt/Ti金属、铝金属、铜金属、金或银中的任一种或几种。
上述方案中，所述的智能控制器，包括：计算机处理器、数据信息接收器、数据信息发送器、数据信息存储器、工作指令发送器；所述数据信息接收器、数据信息发送器、数据信息存储器和工作指令发送器均与计算机处理器相连接。
本发明自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人的工作过程如下：
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人的智能控制器指令选择陆地爬行自采集能量发电工作模式，定位器和环境传感器将检测到的数据信息传送给智能控制器；智能控制器指令自采集能量发电型轮足桨驱动模块启动工作；蓄电池A通过电路分别向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块中的轮足桨旋转驱动电机提供电能，六个轮足桨旋转驱动电机开始旋转协同运行；六个轮足桨旋转驱动电机分别通过轮足桨旋转驱动连接件带动各自的压电发电型轮桨以及压电发电型轮足协同动作，六个压电发电型轮足按照区隔时间及区隔角度分别踏上地面或离开地面，六个压电发电型轮足协同动作来支撑并控制自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在陆地上进行行走。
在陆地行走过程中，定位器和环境传感器将实时检测到的数据信息传送给智能控制器；智能控制器指令自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人进行转弯行走，蓄电池A通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块中的轮足桨角度回转驱动电机提供电能，六个轮足桨角度回转驱动电机开始角度回转协同运行；六个轮足桨角度回转驱动电机分别通过轮足桨角度回转驱动连接件带动各自的压电发电型轮桨以及压电发电型轮足协同动作，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在陆地上行走时进行角度及方向的调整，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人开始进行转换方向行走。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上进行行走或者转弯行走过程中，多个压电发电型轮足不时周期性地踏上地面，并与地面发生接触碰撞并产生振动力，其振动力驱动多个压电发电型轮足上装配的压电发电器A产生压电发电效应，其振动力也驱动装配在多个压电发电型轮桨后侧面的压电发电器B产生压电发电效应，其产生的压电发电电能通过电路传输给蓄电池A存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上进行行走或者转弯行走过程中，其行走振动力也能够驱动装配在框架下面的微纳米摩擦发电器进行工作；在振动能驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层共同构成垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于振动力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当振动能冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在振动能冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。微纳米摩擦发电器构成的垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换振动能冲击力或振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米摩擦发电器通过内电极层B和外电极层B，将采集振动能量发电并传输给蓄电池A存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人的智能控制器指令选择水中浮游自采集能量发电工作模式，定位器和环境传感器将检测到的数据信息传送给智能控制器；智能控制器指令自采集能量发电型轮足桨驱动模块启动工作；蓄电池A通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块中的轮足桨旋转驱动电机提供电能，六个轮足桨旋转驱动电机开始旋转协同运行；六个轮足桨旋转驱动电机分别通过轮足桨旋转驱动连接件，带动各自的压电发电型轮桨以及压电发电型轮足协同动作，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人爬行进入水中，其前端浮体和后端浮体能够利用浮力承重将自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在水中托起，其六个轮足桨旋转驱动电机分别通过轮足桨旋转驱动连接件，带动各自的压电发电型轮桨作为划水桨，并划动水流驱动自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在水中浮游航行。
在水中浮游航行过程中，定位器和环境传感器将实时检测到的数据信息传送给智能控制器；智能控制器指令自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在水中进行转弯浮游航行，蓄电池A通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块中的轮足桨角度回转驱动电机提供电能，六个轮足桨角度回转驱动电机开始角度回转协同运行；六个轮足桨角度回转驱动电机分别通过轮足桨角度回转驱动连接件，带动各自的压电发电型轮桨以及压电发电型轮足协同动作，促使自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在水中浮游航行的角度方向回转调整，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人开始进行水中转弯浮游航行。
在水中浮游航行过程中，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人中的多个压电发电型轮足与压电发电型轮桨不时地划动水面，并与水面发生碰撞产生振动，其压电发电型轮足与压电发电型轮桨表面的水压也不时波动，其水压及水流波动能驱动多个压电发电型轮足装配的压电发电器A产生压电发电效应，其水压及波动能也驱动多个压电发电型轮桨装配的压电发电器B产生压电发电效应，其产生的压电发电电能通过电路传输给蓄电池A存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在水面浮游航行过程中，其水压及波动能也能够驱动装配在框架下面的微纳米摩擦发电器进行工作；在水压及波动能驱动及弹性材料协同作用下，内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层共同构成垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于振动能作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当振动能冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在水压及波动能冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。微纳米摩擦发电器及弹性材料协同构成的垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换水压及波动能冲击力或振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米摩擦发电器通过内电极层B和外电极层B，将采集水压及波动能量发电并传输给蓄电池A存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上行走或在水中浮游过程中光伏球体双模式发电器，均具有两种工作模式：太阳光伏发电模式、远程激光致光伏发电模式；远程激光致光伏发电模式具有远程无线传输激光能量的功能；激光器能够在远程辐照在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人装配的光伏薄膜层上，产生光伏发电效应；激光器的发射波长与光伏薄膜层的吸收波长相匹配对应。太阳光伏发电模式或远程激光致光伏发电模式，能够将远程传输来的光能量转换为电能，并存储在蓄电池A备用。远程激光致光伏发电模式，能够在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人工作电能不足时启用，解决向自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人处于远程条件下及时补充电能的问题。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上行走或在水中浮游过程中，智能控制器指令装配在框架前端的执行功能模块进行工作，包括：指令采用摄像器、机器人手臂、测量传感器中的一种或多种，来完成自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在陆地或者在水中所需要完成的多种工作。
本发明的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人具有以下有益效果：
(1)本发明自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上进行行走或者在水中浮游航行过程中，多个压电发电型轮足及轮桨不时周期性地踏上地面或划动水面，其振动力或水中压力能够驱动多个压电发电型轮足和压电发电型轮桨上装配的压电发电器产生压电发电效应，其产生的压电发电电能通过电路传输给蓄电池存储备用。
(2)本发明自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上进行行走或者在水中浮游航行过程中，多个压电发电型轮足不时周期性地踏上地面或划动水面，其振动力或水中压力能够驱动装配在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人框架底部的微纳米摩擦发电器进行工作；在振动能驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层共同构成垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式，其产生的微纳米摩擦发电电能通过电路传输给蓄电池存储备用。
(3)本发明自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，在陆地上行走或在水中浮游航行过程中光伏球体双模式发电器，均具有两种工作模式：太阳光伏发电模式、远程激光致光伏发电模式；远程激光致光伏发电模式具有远程无线传输激光能量的功能；激光器能够在远程辐照在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人装配的光伏薄膜层上，产生光伏发电效应；太阳光伏发电模式或远程激光致光伏发电模式，能够将远程传输来的光能量转换为电能，并存储在蓄电池备用；其远程激光致光伏发电模式，能够在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人工作电能不足时启用，解决向自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人处于远程条件下及时补充电能的问题。
(4)本发明采用的执行功能模块的工作方式，包括：指令采用摄像器、机器人手臂、测量传感器中的一种或多种，来完成自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在陆地或者在水中所需要完成的多种工作，其应用领域较宽广。
(5)本发明自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人，包括能够采用两种工作模式：陆地爬行自采集能量发电工作模式、水中浮游自采集能量发电工作模式；其重要功能结构为：具有自采集能量发电型轮足桨驱动模块，并可以根据需要采用四个、六个或者八个自采集能量发电型轮足桨驱动模块；因此，在陆地爬行及在水中浮游航行的功能得到增强，其适用面较广。
附图说明
图1是本发明的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人的俯视结构示意图；
图2是本发明的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人的侧视结构示意图；
图3是本发明的自采集能量发电型轮足桨驱动模块的构成示意图；
图4是本发明的自采集能量发电型轮足桨的结构示意图；
图5是本发明的压电发电型轮桨的结构示意图；
图6是本发明的光伏球体双模式发电器的结构示意图；
图7是本发明的微纳米摩擦发电器的结构示意图。
图中：自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人-1、自采集能量发电型轮足桨驱动模块-2、光伏球体双模式发电器-3、微纳米摩擦发电器-4、执行功能模块-5、智能控制器-6、蓄电池A-7、定位器-8、环境传感器-9、密闭舱-10、前端浮体-11、后端浮体-12、框架-13、自采集能量发电型轮足桨-14、轮毂-15、轮轴-16、轴承-17、轮足桨旋转驱动电机-18、轮足桨旋转驱动连接件-19、轮足桨角度回转驱动电机-20、轮足桨角度回转驱动连接件-21、压电发电型轮足-22、压电发电型轮桨-23、压电发电器A-24、压电发电器B-25、轮桨背面-26、弹性基板-27、内电极层A-28、压电发电材料-29、外电极层A-30、外弹性保护层-31、光伏球体发电器-32、球体壳-33、光伏薄膜层-34、柔性内电极层-35、柔性透明外电极层-36、蓄电池B-37、支撑杆-38、内微纳米摩擦材料层-39、外微纳米摩擦材料层-40、内电极层B-41、外电极层B-42、内弹性支撑板-43、外弹性支撑板-44、内刚性连接件-45、外弹性连接件-46、固定件-47。
具体实施方式
为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图详细说明本发明的具体实施方式。
实施例：
本实施例：本发明的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1的俯视结构示意图见图1；自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1的侧视结构示意图见图2；自采集能量发电型轮足桨驱动模块2的构成示意图见图3；自采集能量发电型轮足桨14的结构示意图见图4；压电发电型轮桨23的结构示意图见图5；光伏球体双模式发电器3的结构示意图见图6；微纳米摩擦发电器4的结构示意图见图7。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1,包括两种工作模式：陆地爬行自采集能量发电工作模式、水中浮游自采集能量发电工作模式；自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1(见图1、图2)，包括：六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块2、光伏球体双模式发电器3、微纳米摩擦发电器4、执行功能模块5、智能控制器6、蓄电池A7及电路、定位器8、环境传感器9、密闭舱10、前端浮体11、后端浮体12、框架13；自采集能量发电型轮足桨驱动模块2固定装配在框架13的两侧面；光伏球体双模式发电器3装配在框架13的后端上面；执行功能模块5装配在框架13的前端上面；环境传感器9装配在靠近框架13的前端的上面；智能控制器6、蓄电池A7及电路、定位器8均装配在密闭舱10内；密闭舱10装配在框架13的中部上面；前端浮体11装配在框架13的前端下面；后端浮体12装配在框架13的后端下面；微纳米摩擦发电器4装配在框架13的中部下面；自采集能量发电型轮足桨驱动模块2、光伏球体双模式发电器3、微纳米摩擦发电器4、执行功能模块5、蓄电池A7及电路、定位器8、环境传感器9、密闭舱10均与智能控制器6电连接；自采集能量发电型轮足桨驱动模块2、光伏球体双模式发电器3、微纳米摩擦发电器4、执行功能模块5、定位器8、环境传感器9和智能控制器6均通过电路与蓄电池A7电连接。
自采集能量发电型轮足桨驱动模块2(见图3)，包括：三个自采集能量发电型轮足桨14、轮毂15、轮轴16、轴承17、轮足桨旋转驱动电机18、轮足桨旋转驱动连接件19、轮足桨角度回转驱动电机20、轮足桨角度回转驱动连接件21；轴承17装配在轮轴16的外侧；轮轴16的一端与轮毂15连接；轮轴16的另一端通过轮足桨旋转驱动连接件19与轮足桨旋转驱动电机18相连接；轮足桨旋转驱动连接件19的侧面通过轮足桨角度回转驱动连接件21与轮足桨角度回转驱动电机20相连接；三个自采集能量发电型轮足桨14按照一定的角度固定装配在轮毂15和轮轴16的连接部位，并构成旋转轮形态结构；自采集能量发电型轮足桨14，包括：压电发电型轮足22、压电发电型轮桨23；压电发电型轮足22固定装配在压电发电型轮桨23的一端；压电发电型轮桨23的另一端固定装配在轮毂15和轮轴16的连接部位。
压电发电型轮足22由压电发电器A24与轮足端复合构成(见图3、图4)；压电发电型轮桨23(见图5)由压电发电器B25与轮桨背面26复合构成；压电发电器A24与压电发电器B25均包括：弹性基板27、内电极层A28、压电发电材料29、外电极层A30、外弹性保护层31；弹性基板27的一面与轮桨背面26相连接；弹性基板27的另一面与内电极层A28的一面相连接；内电极层A28的另一面与压电发电材料29的一面相连接；压电发电材料29的另一面与外电极层A30的一面相连接；外电极层A30的另一面与外弹性保护层31相连接；内电极层A28和外电极层A30通过电路与蓄电池A7相连接。
光伏球体双模式发电器3(见图6)包括光伏球体发电器32、球体壳33、电路器件及蓄电池B37、支撑杆38；球体壳33采用中空结构的两个半圆体壳组合构成；光伏球体发电器32复合在中空结构的两个半圆体壳的外表面；电路器件及蓄电池B37装配在中空结构的两个半圆体壳内；支撑杆38的一端与球体壳33相连接；支撑杆38的另一端与框架13固定连接；光伏球体发电器32，包括：光伏薄膜层34、柔性内电极层35、柔性透明外电极层36、激光器；柔性内电极层35的一面复合在两个半圆体壳的外表面；柔性内电极层35的另一面与光伏薄膜层34的一面相连接；光伏薄膜层34的另一面与柔性透明外电极层36相连接；柔性内电极层35和柔性透明外电极层36通过电路与蓄电池B37相连接；激光器独立设置；光伏球体双模式发电器3，包括：太阳光伏发电模式、远程激光致光伏发电模式；远程激光致光伏发电模式具有远程无线传输激光能量的功能；远程激光致光伏发电模式由激光器、光伏薄膜层34及电路构成；激光器发射的激光能够在远程辐照在光伏薄膜层34上，产生光伏发电效应；激光器的发射波长与光伏薄膜层34的吸收波长相匹配对应。
微纳米摩擦发电器4，包括：内微纳米摩擦材料层39、外微纳米摩擦材料层40、内电极层B41、外电极层B42、内弹性支撑板43、外弹性支撑板44、内刚性连接件45、外弹性连接件46、固定件47；内弹性支撑板43的一面与框架13的底部相连接；内弹性支撑板43的另一面与内电极层B41的一侧面相连接；内电极层B41的另一侧面与内微纳米摩擦材料层39的一面相连接；内微纳米摩擦材料层39的两端分别通过内刚性连接件45与固定件47相连接；内微纳米摩擦材料层39的另一面与外微纳米摩擦材料层40的一面相对应，并保持一定的微小距离；外微纳米摩擦材料层40的另一面与外电极层B42的一面相连接；外电极层B42的另一面与外弹性支撑板44相连接；外微纳米摩擦材料层40的两端分别通过外弹性连接件46与固定件47相连接；内电极层B41和外电极层B42通过电路与蓄电池A7相连接。
本实施例的内微纳米摩擦材料层39和外微纳米摩擦材料层40的材料，分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；两种高分子聚合物材料分别为：Kapton薄膜和PET薄膜组成；内电极层A28、外电极层A30、内电极层B41和外电极层B42的材料采用：Au薄膜，在薄膜外侧均通过磁控溅射方法制备有Au导电电极；高分子聚合物材料表面进行微纳米结构化处理；微纳米结构化处理的方式为：利用干法蚀刻分别在两种材料表面制备微纳米图案，来增添微纳米摩擦效果。
本实施例的执行功能模块5采用：采用摄像器；前端浮体11和后端浮体12的材料采用三维石墨烯泡沫；定位器8采用GPS定位系统及装置；环境传感器13采用风力传感器和水流传感器。
本实施例光伏球体发电器32中的光伏薄膜层34采用染料敏化纳米晶太阳电池。压电发电器A24与压电发电器B25均采用聚偏氟乙稀(PVDF)材料制作；弹性连接件46和弹性支撑板43的材料采用：高密度海绵；柔性内电极层35和柔性透明外电极层36的材料采用：铜金属薄膜层。
智能控制器6，包括：计算机处理器、数据信息接收器、数据信息发送器、数据信息存储器、工作指令发送器；数据信息接收器、数据信息发送器、数据信息存储器和工作指令发送器均与计算机处理器相连接；数据信息接收器接收定位器8和环境传感器9检测到的数据信息并将数据信息发送给数据信息发送器，数据信息发送器接收到数据信息后将数据信息发送给计算机处理器和数据信息存储器，计算机处理器对数据进行处理，并将处理后的信息转换为工作指令发送给工作指令发送器，工作指令发送器接收到工作指令后指示自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1进行工作，数据信息存储器对数据信息进行存储。
本发明实施例：自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1的工作过程如下：
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1的智能控制器6指令选择陆地爬行自采集能量发电工作模式，定位器8和环境传感器9将检测到的数据信息传送给智能控制器6；智能控制器6指令自采集能量发电型轮足桨驱动模块2启动工作；蓄电池A7通过电路分别向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块2中的轮足桨旋转驱动电机18提供电能，六个轮足桨旋转驱动电机18开始旋转协同运行；六个轮足桨旋转驱动电机18分别通过轮足桨旋转驱动连接件19带动各自的压电发电型轮桨23以及压电发电型轮足22协同动作，六个压电发电型轮足22按照区隔时间及区隔角度分别踏上地面或离开地面，六个压电发电型轮足22协同动作来支撑并控制自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在陆地上进行行走。
在陆地行走过程中，定位器8和环境传感器9将实时检测到的数据信息传送给智能控制器6；智能控制器6指令自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1进行转弯行走，蓄电池A7通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块2中的轮足桨角度回转驱动电机20提供电能，六个轮足桨角度回转驱动电机20开始角度回转协同运行；六个轮足桨角度回转驱动电机20分别通过轮足桨角度回转驱动连接件21带动各自的压电发电型轮桨23以及压电发电型轮足22协同动作，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在陆地上行走时进行角度及方向的调整，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1开始进行转换方向行走。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1，在陆地上进行行走或者转弯行走过程中，多个压电发电型轮足22不时周期性地踏上地面，并与地面发生接触碰撞并产生振动力，其振动力驱动多个压电发电型轮足22上装配的压电发电器A24产生压电发电效应，其振动力也驱动装配在多个压电发电型轮桨23后侧面的压电发电器B25产生压电发电效应，其产生的压电发电电能通过电路传输给蓄电池A7存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1，在陆地上进行行走或者转弯行走过程中，其行走振动力也能够驱动装配在框架13下面的微纳米摩擦发电器4进行工作；在振动力驱动及弹性材料的协同作用下，内微纳米摩擦材料层39和外微纳米摩擦材料层40共同构成垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于振动力作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当振动能冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在振动能冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。微纳米摩擦发电器4构成的垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换振动能冲击力或振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米摩擦发电器4通过内电极层B41和外电极层B42，将采集振动能量发电并传输给蓄电池A7存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1的智能控制器6指令选择水中浮游自采集能量发电工作模式，定位器8和环境传感器9将检测到的数据信息传送给智能控制器6；智能控制器6指令自采集能量发电型轮足桨驱动模块2启动工作；蓄电池A7通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块2中的轮足桨旋转驱动电机18提供电能，六个轮足桨旋转驱动电机18开始旋转协同运行；六个轮足桨旋转驱动电机18分别通过轮足桨旋转驱动连接件19(见图3)，带动各自的压电发电型轮桨23以及压电发电型轮足22协同动作，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1爬行进入水中，其前端浮体11和后端浮体12能够利用浮力承重将自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在水中托起，其六个轮足桨旋转驱动电机18分别通过轮足桨旋转驱动连接件19带动各自的压电发电型轮桨23作为划水桨，并划动水流驱动自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在水中浮游航行。
在水中浮游航行过程中，定位器8和环境传感器9将实时检测到的数据信息传送给智能控制器6；智能控制器6指令自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在水中进行转弯浮游航行，蓄电池A7通过电路向六个自采集能量发电型轮足桨驱动模块2中的轮足桨角度回转驱动电机20提供电能，六个轮足桨角度回转驱动电机20开始角度回转协同运行；六个轮足桨角度回转驱动电机20分别通过轮足桨角度回转驱动连接件21带动各自的压电发电型轮桨23以及压电发电型轮足22协同动作，促使自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1在水中浮游航行的角度方向回转调整，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1开始进行水中转弯浮游航行。
在水中浮游航行过程中，自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1中的多个压电发电型轮足22与压电发电型轮桨23不时地划动水面，并与水面发生碰撞产生振动，其压电发电型轮足22与压电发电型轮桨23表面的水压也不时波动，其水压及水流波动能驱动多个压电发电型轮足22装配的压电发电器A24产生压电发电效应(见图3)，其水压及波动能也驱动多个压电发电型轮桨23装配的压电发电器B25产生压电发电效应，其产生的压电发电电能通过电路传输给蓄电池A7存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1，在水面浮游航行过程中，其水压及波动能也能够驱动装配在框架13下面的微纳米摩擦发电器4进行工作；在水压及波动能驱动及弹性材料协同作用下，内微纳米摩擦材料层39和外微纳米摩擦材料层40共同构成垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式；在电介质-电介质材料结构中，由两种不同的介电材料作为摩擦接触面；当两种电介质摩擦材料由于振动能作用相互接触时，会在摩擦接触表面形成符号相反的表面电荷，当振动能冲击力或振动力撤销时，摩擦接触表面在间隔弹性层作用下实现分离，两个电极层之间通过整流电路外接负载电阻上时，会由于电极层间的感应电势差形成电流。当在水压及波动能冲击力或振动力作用下，导致两个摩擦面再次接触时，由摩擦电荷形成的电势差消失，形成方向相反的电流。微纳米摩擦发电器4及弹性材料协同构成的垂直接触-分离摩擦以及非对称弹性移动微纳米摩擦发电模式，可以用来有效地采集并转换水压及波动能冲击力或振动力带来的能量，并将此能量转换为电能；微纳米摩擦发电器4通过内电极层B41和外电极层B42，将采集水压及波动能量发电并传输给蓄电池A7存储备用。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1，在陆地上行走或在水中浮游过程中光伏球体双模式发电器3，均具有两种工作模式：太阳光伏发电模式、远程激光致光伏发电模式；远程激光致光伏发电模式具有远程无线传输激光能量的功能；激光器能够在远程辐照在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1装配的光伏薄膜层34上，产生光伏发电效应；激光器的发射波长与光伏薄膜层34的吸收波长相匹配对应。太阳光伏发电模式或远程激光致光伏发电模式，能够将远程传输来的光能量转换为电能，并存储在蓄电池A7备用。远程激光致光伏发电模式，能够在自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1工作电能不足时启用，解决向自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1处于远程条件下及时补充电能的问题。
自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人1，在陆地上行走或在水中浮游过程中，智能控制器6指令装配在框架13前端的执行功能模块5进行工作，指令采用摄像器来完成自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人在陆地或者在水中所需要完成的摄像工作。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护之内。
Claims (10)
1.自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，包括：若干自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、智能控制器、蓄电池A及电路、定位器、环境传感器、密闭舱、前端浮体、后端浮体、框架；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块固定装配在框架的两侧面；所述光伏球体双模式发电器装配在框架的后端上面；所述执行功能模块装配在框架的前端上面；所述环境传感器装配在靠近框架的前端的上面；所述智能控制器、蓄电池A及电路、定位器均装配在密闭舱内；所述密闭舱装配在框架的中部上面；所述前端浮体装配在框架的前端下面；所述后端浮体装配在框架的后端下面；所述微纳米摩擦发电器装配在框架的中部下面；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、蓄电池A及电路、定位器、环境传感器、密闭舱均与智能控制器相连接；所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块、光伏球体双模式发电器、微纳米摩擦发电器、执行功能模块、定位器、环境传感器和智能控制器均通过电路与蓄电池A相连接。
2.根据权利要求1所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述自采集能量发电型轮足桨驱动模块，包括：若干个自采集能量发电型轮足桨、轮毂、轮轴、轴承、轮足桨旋转驱动电机、轮足桨旋转驱动连接件、轮足桨角度回转驱动电机、轮足桨角度回转驱动连接件；所述轴承装配在轮轴的外侧；所述轮轴的一端与轮毂连接；所述轮轴的另一端通过轮足桨旋转驱动连接件与轮足桨旋转驱动电机相连接；所述轮足桨旋转驱动连接件的侧面通过轮足桨角度回转驱动连接件与轮足桨角度回转驱动电机相连接；所述自采集能量发电型轮足桨，包括：压电发电型轮足和压电发电型轮桨；所述压电发电型轮足固定装配在压电发电型轮桨的一端；所述压电发电型轮桨的另一端固定装配在轮毂和轮轴的连接部位，并构成旋转轮形态结构。
3.根据权利要求2所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述压电发电型轮足由压电发电器A与轮足端复合构成；所述压电发电型轮桨由压电发电器B与轮桨背面复合构成；所述压电发电器A和压电发电器B均包括：弹性基板、内电极层A、压电发电材料、外电极层A、外弹性保护层；所述弹性基板的一面与轮桨背面相连接；所述弹性基板的另一面与内电极层A的一面相连接；所述内电极层A的另一面与压电发电材料的一面相连接；所述压电发电材料的另一面与外电极层A的一面相连接；所述外电极层A的另一面与外弹性保护层相连接；所述内电极层A和外电极层A通过电路与蓄电池A相连接。
4.根据权利要求1所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述光伏球体双模式发电器包括：光伏球体发电器、球体壳、电路器件及蓄电池B、支撑杆；所述球体壳采用中空结构的两个半圆体壳组合构成；所述光伏球体发电器复合在中空结构的两个半圆体壳的外表面；所述电路器件及蓄电池B装配在中空结构的两个半圆体壳内；所述支撑杆的一端与球体壳相连接；所述支撑杆的另一端与框架相固定连接；所述光伏球体发电器，包括：光伏薄膜层、柔性内电极层、柔性透明外电极层、激光器；所述柔性内电极层的一面复合在两个半圆体壳的外表面；所述柔性内电极层的另一面与光伏薄膜层的一面相连接；所述光伏薄膜层的另一面与柔性透明外电极层相连接；所述柔性内电极层和柔性透明外电极层通过电路与蓄电池B相连接；所述激光器独立设置；所述激光器发射的激光辐照在光伏薄膜层上，产生光伏发电效应；所述激光器的发射波长与光伏薄膜层的吸收波长相匹配对应。
5.根据权利要求1所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述微纳米摩擦发电器，包括：内微纳米摩擦材料层、外微纳米摩擦材料层、内电极层B、外电极层B、内弹性支撑板、外弹性支撑板、内刚性连接件、外弹性连接件、固定件；所述内弹性支撑板的一面与框架的底部相连接；所述内弹性支撑板的另一面与内电极层B的一侧面相连接；所述内电极层B的另一侧面与内微纳米摩擦材料层的一面相连接；所述内微纳米摩擦材料层的两端分别通过内刚性连接件与固定件相连接；所述内微纳米摩擦材料层的另一面与外微纳米摩擦材料层的一面相对应；所述外微纳米摩擦材料层的另一面与外电极层B的一面相连接；所述外电极层B的另一面与外弹性支撑板相连接；所述外微纳米摩擦材料层的两端分别通过外弹性连接件与固定件相连接；所述内电极层B和外电极层B通过电路与蓄电池A相连接。
6.根据权利要求5所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层分别采用两种不相同的高分子聚合物材料；两种不相同的高分子聚合物材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
7.根据权利要求5所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述内微纳米摩擦材料层和外微纳米摩擦材料层分别采用高分子聚合物材料和金属材料；所述高分子聚合物材料和金属材料分别带上等量的异种电荷；所述高分子聚合物材料和金属材料的表面进行微纳米结构化处理；所述微纳米结构化处理的方式为：在高分子聚合物材料和金属材料的表面采用下列方法之一进行处理：干法蚀刻、湿法刻蚀、光刻蚀、电感耦合等离子体反应离子刻蚀、组装微纳米线阵列或微纳米棒阵列。
8.根据权利要求5所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述外弹性连接件、内弹性支撑板、外弹性支撑板采用的材料为高可拉伸全碳气凝胶弹性体层、PDMS弹性体层、胶带弹性层或导电双面胶带弹性层、强力弹性橡胶、高密度海绵、强力弹簧、弹力有机高分子材料、硅胶、合成弹力材料或弹力复合材料中的任一种。
9.根据权利要求3所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述弹性基板的材料采用铝、铜、不锈钢中的任一种；所述内电极层A、外电极层A采用的材料为Pt/Cr金属、Pt/Ti金属、铝金属、铜金属、金或银中的任一种或几种。
10.根据权利要求1所述的自采集能量发电型水陆两栖轮足桨一体化机器人,其特征在于，所述执行功能模块采用摄像器、机器人手臂、测量传感器中的一种或多种；所述前端浮体和后端浮体的材料采用三维石墨烯泡沫、有机泡沫、无机泡沫、复合材料泡沫中的一种或多种；所述定位器采用北斗定位系统及装置、GPS定位系统及装置中的任一种；所述环境传感器采用风力传感器、压力传感器、温度传感器、水流传感器、路面传感器、坡度传感器中的一种或多种。
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