CN110979739A - 一种全地形防翻滚巡视探测器 - Google Patents

Abstract

主要由球形外壳体、球形内壳体、滚珠托架、滚珠、支撑杆、轮架及附件组成的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于车体为球形外壳体，球面均匀分布四个支撑杆及对应开有四个圆孔的四面体，支撑杆末端铰接轮架，实现任意三个车轮着地的三角形，球形滚珠介于球形外壳体与内壳体之间，用滚珠托架均匀分布，球形内壳体用一块板材折成座椅板将球形内壳体分成两个空间作为操作舱和动力舱，操作舱壁上开有视窗及圆冠形门，行走采用全向轮系统方式，该发明作为太空探索中一种巡视探测器，满足着陆就位及全地形、全向行驶的要求，该结构专项改进，可成为都市中人们出行的另一种陆空交通工具，具有原地360度转向特点，方便停泊入位，其市场前景广阔。

Description

一种全地形防翻滚巡视探测器

技术领域

本发明涉及太空探索的巡视探测器和交通工具方面，提供全向、全地形使用的一种全地形防翻滚巡视探测器。

背景技术

科技的进步与发展促使着人类对于外太空探索越发深入的开展，如2012年美国“好奇 (Curiosity)”号火星探测器，它是美国第七个火星进行着陆的探测器，第四台火星车早已登陆火星，中国2013年11月研制出的“玉兔号”月球车也已在月球表面行走着，目前世界各国巡视探测器一般分为履带式、车轮式，车轮方式又可分为三轮、四轮、六轮和八轮，主要集中在四轮方案、六轮摇臂方案和八轮摇臂方案，这些方案各有特点，四轮方案具有结构紧凑、耗能低、负载大、重心低、姿态易于调整方便的优点，缺点是车体的稳定性较差、爬坡能力与越障性能不强；六轮摇臂方案，主悬架与车体连接，主摇臂和副摇臂可以相对转动，车轮在各种地形都容易紧贴地面，具有地形适应能力强、越障性能优良、控制灵活、车辆姿态平稳等优点，缺点是重力在各个轮上分配不均匀，不能充分发挥电机作用；八轮摇臂方案特点是结构对称，正向和逆向运动特性一致，重力在各个轮上分配均匀、电机效率高，车辆运行过程姿态平稳等优点，缺点机构组成相对复杂、运动控制难度大。由8个分系统组成“玉兔号”的移动分系统，则采用轮式、摇臂悬架方式，“六轮独立驱动，四轮独立转向”具备前进、后退、原地转向、行进间转向、20度爬坡、20厘米越障能力，满足在月球重力约为地球的六分之一，表面土壤非常松软，凹凸不平，有石块、有陨石坑，还有陡峭的高坡的环境中的使用要求，学习这些先进技术后，提出一种全地形防翻滚巡视探测器，作为一种太空探索中着陆巡视探测器使用，其特点满足登陆时所需的尺寸紧凑，着陆姿态要求不高、不怕倾覆，着陆后又可全向行驶、停止，行驶的通过性和操作稳定性高，其双球形壳体、液压杆支撑及万向轮使用，使其具有结构合理、稳定性好的特点，本发明一种全地形防翻滚巡视探测器适用范围广，该结构可经过专项改进成陆地、空及水面使用，结合这些技术及其防倒、原地360度转向的特点，形成人们日常生活中生活中休闲、娱乐的各种产品。

发明内容

本发明的目的是提供全地形和全方向行驶的一种全地形防翻滚巡视探测器，主要从动力性、通过性、能源利用率、操作稳定性这几个方面考虑，本设计注重应用当今的前沿技术(如永磁直流电机、全向轮、CIGS薄膜电池以及燃料电池等)，为未来巡视探测器也称为月球车构建了一个技术框架，其目的在于设计出能够满足未来数年内登月计划的巡视探测器，本设计侧重于机械机构和动力系统的设计，机械机构主要有行走机构和执行机构。本发明主要是由球形外壳体、球形内壳体、滚珠托架、滚珠、支撑杆、轮架及附件组成，车体为球形外壳体，球面均匀分布四个支撑杆及对应开有四个圆孔的四面体，支撑杆末端铰接轮架，实现任意三个车轮着地的三角形，球形滚珠介于球形外壳体与内壳体之间，用滚珠托架均匀分布，球形内壳体用一块板材折成的座椅板将球形内壳体分成两个空间，作为操作舱和动力舱，操作舱壁上开有视窗及圆冠形门，这样无论如何翻转，球形外壳体的四个支撑杆总有三个支撑杆端点着地，且球形内壳体受引力作用在球形外壳体上转动至合适的位置，保持运行过程姿态平稳。

支撑杆外管顶端封闭，且固定住在球形外壳体上，支撑杆内杆一端有铰接轴与半球形托架铰接，另一端有密封圈插入到支撑杆管中为活塞，用端盖将支撑杆外管底端封闭组成，支撑杆外管内由活塞分成两部分腔体，支撑杆外管两端用管道相连，管道中部安置一个旋转阀门，成一个液(如油)或气缸体，转动旋转阀门手柄，使得管路接通，就可滑动支撑杆内杆，再转动阀门开关阻断管路将支撑杆外管腔体内液或气则分成两部分，受到外力时支撑杆活塞两边形成压力差调整支撑杆长度。

该结构简化后，外壳体是在四个支撑杆顶端按照四面体的6条棱位置用圆管连接为一体，圆管中部套有轮，轮与球形内壳体外部球面相切接触，使得内壳体在这个四面体可任意转动。

另一结构进一步简化后，外壳体是由圆环与三个支撑杆按照120度夹角等分连接而成，支撑杆末端连接浮球，托架为有竖向轴座上有凹槽的轮，可沿着外壳体圆环转动，托架还有水平轴座组成，内壳体上有轴置于托架水平轴座中使得内壳体可转动。

车轮架梁插入或铰接在支撑杆末端，并可绕支撑杆转动在3个位置上锁定，保障车体着陆所用的3个支撑杆上车轮着地。

行走机构采用全向轮系统，利用全向轮的灵活性实现以前巡视探测器所不能完成的机动动作，提高巡视探测器的转向灵活性；多连杆悬架和轮毂式驱动电机，既电动机安装在轮毂位置上驱动，结构简单可靠，适应性强，适合在复杂地形条件行进。

车轮架是由水平梁与车轮叉转向立管连接为T字形，车轮叉装入转向立管中所构成，车轮叉装上轮毂式驱动电机的车轮，车轮叉转向轴上端的有扇形涡轮，车轮架梁上固定配套的蜗杆及轴座，用步进电机控制蜗杆转动，通过控制器控制轮毂电机和步进电机的全向轮系统。

球形轮架是由球形轮、圆冠形封圈、支杆、半球形托架组成，在半球形托架内壁上气孔，装入球形轮，用圆冠形封圈盖上，用螺丝将半球形托架及圆冠形封圈固定就形成球形轮架，高压气通过支杆进入半球形托架内腔，经过半球形托架内壁上气孔使得半球形托架内壁与球形轮球面产生气膜；球形轮分内核和外球壳N极、S极的磁场，同样半球形托架分内外层成N极、S 极的磁场，用磁力球形轮外球壳与半球形托架内层为同极相斥，球形轮与托架因磁力作用产生间隙。

独轮动力方式，就是在车体下端伸出车轮架固定在球形内壳体上，车轮架是由车轮叉转向立管连接，车轮叉装入转向立管中及T字形车把支撑杆下端插入转向立管中所构成，并使车轮着地，支撑杆末端连接轮架为万向从动轮。

动力系统采用太阳帆和燃料电池的供电组合，为巡视探测器提供充足电力，能够支持巡视探测器长时间执行科考任务。电池组安装在球形内壳体动力舱中，操作手柄固定在扶手的操作台上，通过手柄控制电路或计算机程序操作控制器，又控制器再控制轮毂电机和转向电机，实现本发明的行驶和转向。

执行机构主要由两部机械臂组成，通过两部机械臂的配合完成科考，除障等工作。在巡视探测器发生意外情况时，利用机械臂进行自救，提高巡视探测器的生存能力。

附图说明

附图1，一种全地形防翻滚巡视探测器的主视图

附图2，一种全地形防翻滚巡视探测器的俯视图

附图3，一种全地形防翻滚巡视探测器侧视图

附图4，一种全地形防翻滚巡视探测器圆管式主车体俯视图

附图5，一种全地形防翻滚巡视探测器飞行式主视图

附图6，一种全地形防翻滚巡视探测器飞行式俯视图

附图7，一种全地形防翻滚巡视探测器浮式主视图

附图8，一种全地形防翻滚巡视探测器浮式俯视图

附图9，一种全地形防翻滚巡视探测器摇摆式主视图

附图10，一种全地形防翻滚巡视探测器球形轮主视图

具体实施方式

下面结合附图和实例对本发明进一步说明。

作为一款巡视探测器图1实例中，1.球形外壳体、2.球形内壳体、3.滚珠托架、4.滚珠、 5.支撑杆、6.轮架及附件组成，车体为球形外壳体(1)，球面均匀分布四个支撑杆(5)及对应开有四个圆孔的四面体，实现任意三个车轮着地的三角形，球形滚珠(4)介于球形外壳体与内壳体之间，用滚珠托架(3)均匀分布，轮架(6)梁插入或铰接在支撑杆(5)末端，并可绕支撑杆转动在3个位置上锁定，依此保障车体着陆所用的3个支撑杆(5)上个车轮着地支撑，转向组件是由轮架(6)转向轴上端的有扇形涡轮，轮架(6)梁上固定配套的蜗杆及轴座和步进电机组成，通过座椅板(7)扶手上安置的操作杆，通过手柄控制电路到控制器，控制器再控制轮毂电机和转向电机，控制每个轮架(6)上车轮转向与移动，电池组则安装在球形内壳体动力舱中，图2为本发明俯视图，图3为本发明侧视图。

图4实例中的本发明圆管式主车体，外壳体(1)结构改成在四个支撑杆(5)顶端按照四面体的6条棱位置用圆管在顶端圆盘连接为一体，圆管中部套有轮，轮与球形内壳体(2) 外部球面相切接触，使得内壳体(2)在这6个圆管构成四面体可任意转动，通过引力作用保持内壳体(2)为水平，图4为俯视图。

图5实例中，为本发明飞行式，同前外壳体(1)是由圆环与三个支撑杆(5)按照120度夹角等分连接而成，支撑杆(5)末端连接轮架(6)，球形内壳体(2)外圈有二组(也可多组)竖向轴座上有凹槽的轮卡在外壳体(1)圆环上，球形内壳体(2)可沿着外壳体(1) 圆环转动，轮架(6)是由圆形圈、中心固定电机，电机转轴上有螺旋桨组成，形成涵道风扇式，同前将轮架(6)固定或铰接在支撑杆(5)末端，球形内壳体(2)的动力舱里安装有电池组，将一个轮架(6)固定座椅板后部的球形内壳(2)上朝向后方，通过座椅板扶手上安置的操作杆，控制三个轮架(6)螺旋桨旋转提供车体上升力、内壳体(2)水平转动方向及向后轮架(6)螺旋桨推动车体向前；也可球形内壳体(2)的动力舱里安装有发动机、燃料储箱，其喷口固定座椅板后部的球形内壳(2)上朝向后方推动车体向前，图6为俯视图。

图7实例中的本发明浮式，也是一种简化方式，外壳体(1)是由圆环与三个支撑杆(5) 按照120度夹角等分连接而成，支撑杆(5)末端连接浮球，托架(3)为有竖向轴座上有凹槽的轮，托架(3)还有水平轴座组成，可沿着外壳体(1)圆环转动，内壳体(2)上有轴置于托架(3)水平轴座中使得内壳体(2)可转动，同样球形内壳体(2)用一块板材折成的座椅板(7)将球形内壳体(2)分成两个空间，作为操作舱和动力舱，操作舱壁上开有视窗及圆冠形门，这样无论外壳体(1)如何摇动，球形内壳体(2)受引力作用在球形外壳体(1) 上转动至合适的位置，保持运行过程姿态平稳，通过座椅板扶手上安置的操作杆，控制内壳体(2)水平转动，使得驾驶者始终面向行驶前方，图8为俯视图。

图9实例中，为本发明摇摆式，外壳体(1)是一个圆环，座椅板(7)扶手竖向轴座上有轴由圆环上，座椅板(7)可沿着外壳体(1)圆环摇动，以此可作为水面救生设备用。

图10实例中，为本发明球形轮，球形轮架(6)是由球形轮(9)、圆冠形封圈(10)、支杆(11)、半球形托架(12)组成，在半球形托架(12)内壁上气孔，装入球形轮(9)，用圆冠形封圈(10)盖上，用螺丝将半球形托架(12)及圆冠形封圈(10)固定就形成球形轮架，高压气通过支杆(11)进入半球形托架(12)内腔，经过半球形托架(12)内壁上气孔使得半球形托架(12)内壁与球形轮(9)球面产生气膜；球形轮(9)分内核和外球壳N 极、S极的磁场，同样半球形托架(12)分内外层成N极、S极的磁场，用磁力球形轮(9) 外球壳与半球形托架(12)内层为同极相斥，球形轮(9)与托架(12)因磁力作用产生间隙，悬浮方式。

一般登月任务包括月面软着陆、月面巡视勘察、深空测控通信与遥操作、深空探测运载火箭发射等关键技术；二是研制月面软着陆探测器和巡视探测器，建立地面深空站，获得包括运载火箭、月球探测器、发射场、深空测控站、地面应用等在内的功能模块，具备月面软着陆探测的基本能力；三是建立月球探测航天工程基本体系，形成重大项目实施的科学有效的工程方法，着陆器的设计也是重要环节之一，在着陆器中载荷舱布置有三种，即居中式、侧挂式、置顶式各有优缺点，多采用置顶式，置顶式释放巡视探测器，就是把载荷舱布置在着陆器框架的内部，燃料储箱的上部，着陆成功后先释放悬梯，巡视探测器自行走下，美国宇航局于2011年11月26日发射“好奇”号探测器登陆火星表面至今已经超过2000天的“好奇”号火星车则采用居中式，利用被称作“天空起重机(Sky Crane)”和“好奇”号组合体在经过大气摩擦减速和降落伞减速后“天空起重机”开启8台反冲推进发动机，进入有动力的缓慢下降阶段，当反冲推进发动机将“天空起重机”和“好奇”号组合体的速度降至大约每秒0.75米之后，几根缆绳将“好奇”号从“天空起重机”中吊出，悬挂在下方，距离地面一定高度时，缆绳会被自动切断，“天空起重机”随后在距离“好奇”号一定安全距离范围内着陆。本发明作为一种巡视探测器能够很好适应这两种方式的着陆，对于现在六轮摇臂和八轮摇臂方案，车轮少，结构更为简单，能够象摇臂结构很好的隔离月面振动，且车体在行驶中，有良好行驶平顺性，其结构保障有足够的抗倾覆性、几何通过性，且行驶过程可随时调整与障碍物不发生干涉，本发明既满足登陆时所需的尺寸紧凑，着陆姿态要求不高，着陆后又可全向行驶、停止，其行驶的通过性和操作稳定性高，复杂地形不怕倾覆，且具有结构合理、稳定性好的特点。

本发明一种全地形防翻滚巡视探测器适用范围广，该结构可作为着陆站使用，也可经过专项改进成救生艇，其结构简单、不怕翻倾的特点，或成为都市中人们出行的另一种交通工具，原地360度转向的特点，方便停车入位，外形紧凑、美观、规则及速度适宜，将满足互联网时代都市中人们快捷、时尚生活的需要，特别适合于适合不同年龄的人们上班、出差、购物、参观、远足郊游、垂钓及城市观光等户外活动代步，是人们日常工作和节假日休闲生活的好伙伴。

Claims (8)

1.一种全地形防翻滚巡视探测器由球形外壳体(1)、球形内壳体(2)、滚珠托架(3)、滚珠(4)、支撑杆(5)、轮架(6)、座椅板(7)及附件组成，车体为球形外壳体(1)，球面均匀分布四个支撑杆(5)及对应开有四个圆孔的四面体，支撑杆(5)末端铰接轮架(6)，支撑杆(5)任何三个点均为着地的三角形，在支撑杆(5)与球形外壳体(1)的固定处有球形轴座，碗形座中有球形滚珠，介于球形外壳体(1)与球形内壳体(2)之间，球形内壳体(2)用一块板材折成的座椅板(7)将球形内壳体(2)分成两个空间，作为操作舱和动力舱，操作舱壁上开有视窗及圆冠形门。

2.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于支撑杆(5)外管顶端封闭，且固定住在球形外壳体(1)上，支撑杆(5)内杆一端与轮架(6)铰接，另一端插入到支撑杆(5)管中有密封圈作为活塞，再用端盖将支撑杆(5)外管底端封闭，将支撑杆(5)外管内由活塞分成两部分腔体，支撑杆(5)外管两端用管道相连，管道中部安置一个旋转阀门，成一个液(如油)或气缸体，转动旋转阀门手柄，使得管路接通，就可滑动支撑杆(5)内杆，再转动阀门开关阻断管路将支撑杆(5)外管腔体内液或气则分成两部分，受到外力时支撑杆(5)活塞两边形成压力差调整支撑杆(5)长度。

3.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于轮架(6)可以绕支撑杆(5)转动，锁定在3个位置上，依此保障着陆3个支撑杆(5)上的车轮着地，轮架(6)是由水平梁与车轮叉转向立管连接为T字形，车轮叉装入转向立管中，轮毂式驱动电机的车轮固定在车轮叉上所构成，转向组件是由轮架(6)转向轴上端的有扇形涡轮，轮架(6)支撑管上固定配套的蜗杆及轴座和步进电机组成，通过控制器控制电机车的转向。

4.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于外壳体(1)是在四个支撑杆(5)顶端按照四面体的6条棱位置用圆管连接为一体，圆管中部套有轮，轮与球形内壳体(2)外部球面相切接触，使得内壳体(2)在这6个圆管构成四面体内可任意转动。

5.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于外壳体(1)是由圆环与三个支撑杆(5)按照120度夹角等分连接而成，支撑杆(5)末端连接浮球，托架(3)为有竖向轴座上有凹槽的轮，可沿着外壳体(1)圆环转动，托架(3)还有水平轴座组成，内壳体(2)上有轴置于托架(3)水平轴座中使得内壳体(2)可转动。

6.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于同样外壳体(1)是由圆环与三个支撑杆(5)按照120度夹角等分连接而成，支撑杆(5)末端连接轮架(6)，球形内壳体(2)外圈有二组竖向轴座上有凹槽的轮卡在外壳体(1)圆环上，球形内壳体(2)可沿着外壳体(1)圆环转动，球形内壳体(2)的动力舱里安装有发动机、燃料储箱，其喷口(13)固定座椅板后部的球形内壳(2)上朝向后方，轮架(6)是由圆盘形圈(9)、中心固定电机，电机转轴上有螺旋桨组成。

7.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于球形轮架(6)是由球形轮(9)、圆冠形封圈(10)、支杆(11)、半球形托架(12)组成，在半球形托架(12)内壁上气孔，装入球形轮(9)，用圆冠形封圈(10)盖上，用螺丝将半球形托架(12)及圆冠形封圈(10)固定就形成球形轮架，高压气通过支杆(11)进入半球形托架(12)内腔，经过半球形托架(12)内壁上气孔使得半球形托架(12)内壁与球形轮(9)球面产生气膜；球形轮(9)分内核和外球壳N极、S极的磁场，同样半球形托架(12)分内外层成N极、S极的磁场，用磁力球形轮(9)外球壳与半球形托架(12)内层为同极相斥，球形轮(9)与托架(12)因磁力作用产生间隙。

8.根据权利要求1所述的一种全地形防翻滚巡视探测器，其特征在于车体下端伸出车轮架固定在球形内壳体(2)上，车轮架是由车轮叉转向立管连接，车轮叉装入转向立管中及T字形车把支撑杆下端插入转向立管中所构成，并使车轮着地，支撑杆(5)末端连接轮架(6)为万向从动轮。

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