專利名稱：一種風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機器人的制作方法
技術領域：
本發(fā)明屬于機械技術領域，涉及非電變量的控制或調(diào)節(jié)系統(tǒng)中有關陸地、 水上運載工具的二維行走的控制裝置，具體地說是一種風力驅動具有多種運動 方式的環(huán)境探測球形機器人，可用于極地、沙漠等地面環(huán)境和行星表面的環(huán)境 探測，也可用于運輸、偵查、娛樂、軍事等領域。
技術背景目前的環(huán)境探測機器人幾乎都是輪式機器人。輪式機器人雖然具有越障能 力強、穩(wěn)定性高等特點，但是由于自身結構比較復雜，造價都非常昂貴，不利于作群體協(xié)同工作；而且受自身攜帶能源制約，活動范圍有限，不利于作大規(guī) 模、遠距離環(huán)境探測。球形機器人是一種具有球形外殼的機器人。球形機器人最大的特點是運動 方式特殊，球形的外殼將使機器人能在失穩(wěn)后獲得最大的穩(wěn)定性，因此不怕翻 倒，與輪子只能在一個方向上滾動不同，它能夠在一個平面的任何方向上做滾 動運動。同時，在其內(nèi)部裝備各種不同功能的傳感器和執(zhí)行器，就能夠使其具 有所需的各種智能功能。目前國內(nèi)現(xiàn)有的球形機器人專利均為內(nèi)驅動球形機器 人，但作為環(huán)境探測機器人，必須攜帶足夠的能源、燃料或供能裝置，用于驅 動內(nèi)部測控系統(tǒng)和自身運動驅動系統(tǒng)。其中內(nèi)驅動球形機器人的運動驅動系 統(tǒng)，所需的能源占絕大部分。因此，內(nèi)驅動球形機器人受攜帶能源的制約，活 動范圍受限，難以實現(xiàn)遠距離大范圍環(huán)境探測。 發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是為了解決現(xiàn)有環(huán)境探測機器人裝置存在的技術問題，提 出了一種風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機器人，使其在風力作用 下，根據(jù)不同的地形環(huán)境自動的選擇滾動、彈跳和漂浮等運動方式，并且具有 能耗低、成本小的特點，同時還增強了機器人的機動性和環(huán)境的適應性，提高 了對自然風能的利用率。實現(xiàn)本發(fā)明的技術方案是該球形機器人是一種可展開結構，其初始為折 疊態(tài)，呈半圓餅狀，易于太空發(fā)射、儲運和收藏；完全展開的形態(tài)是整體呈 球形輪廓。該機器人包括半圓形擋板裝置、隔膜布板裝置、外層氣囊、內(nèi)層氣 囊、內(nèi)核球體系統(tǒng)及有關部件；它是將半圓形擋板裝置、隔膜布板裝置、外層 氣囊和內(nèi)層氣囊相聯(lián)接，通過鉸聯(lián)接在內(nèi)核球體系統(tǒng)的外部過中軸安裝的內(nèi)核鉸聯(lián)接軸，與內(nèi)核球體系統(tǒng)進行鉸聯(lián)接方式有機的組合安裝而構成。內(nèi)層氣囊 中充有氫/氦氣體，氣囊所受的浮力略小于機器人自身的重力，使球形機器人在 探測環(huán)境表面受風力驅動做滾動運動。安裝在內(nèi)核球體系統(tǒng)中的核心控制板， 根據(jù)外界環(huán)境條件控制同樣安裝在內(nèi)核球體系統(tǒng)的內(nèi)核球體中的氫/氦氣反應 裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置和充放氣裝置，向外層氣囊中充、放氣，使得機器人 具有純滾動或漂浮兩種運動狀態(tài)。為達到在不同的探測環(huán)境實現(xiàn)不同的風力載荷的目的，可以將半圓形擋板裝置設計為4塊/6塊/8塊/10塊/12塊等不同數(shù)量 的半圓形擋板部件，并將它們均勻配置在內(nèi)核球體的外部，構成不同結構的球 形機爭人。本發(fā)明圖例以六塊半圓形擋板部件均,配置在內(nèi)核球體的外部的結 構進—說明，參見圖l、圖2所示。 '半圓形擋板裝置由六塊半圓形擋板部件相互之間有序的聯(lián)接而組成，這些 部件均勻地配置在內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍，外形均為半圓環(huán)形，各個半圓形擋板 .部件的外輪廓邊緣均在同一球面上，以半圓軸邊與內(nèi)核球體上固連的內(nèi)核鉸聯(lián) 接軸形成同軸轉動副。.半圓形擋板的外邊緣材料為聚四氟乙烯，內(nèi)部材料為尼 龍布。隔膜布板裝置包括六塊隔膜布板，材料為尼龍布；這些隔膜布板為共面 的、均勻分布可折疊的薄扇形板，位于六塊半圓形擋板部件的中截面上，且垂 直于各個半圓形擋板部件，均勻配置于內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍，并分別與各半圓 形擋板部件固聯(lián)。特別需要指出的是，六塊半圓形擋板部件中的一塊由小半圓 板和半圓環(huán)形板拼合而成，小半圓板和半圓環(huán)形板分別與兩塊相鄰的隔膜布板 固聯(lián)；相鄰的半圓形擋板部件之間分別安裝有扭簧，其安裝軸線沿各半圓形擋 板部件的半圓軸邊方向；扭簧由電控爆斷開關通過人工指令方式控制其打開。外層氣囊與內(nèi)層氣囊均為十二瓣，分別位于半圓形擋板部件與隔膜布板部 件形成的十二個相同的異形扇狀開口腔體內(nèi)；十二瓣外層氣囊、內(nèi)層氣囊的氣 囊瓣均為扇狀體，各層的氣囊瓣相互組合分別構成一個球體氣囊，氣囊瓣扇狀 體體積為各自構成的球體體積的十二分之一。兩層氣囊均采用彈性尼龍布材料 制成；十二瓣內(nèi)層氣囊的氣囊瓣中都預先充滿了氫/氦氣，而外層氣囊在機器人 的初始狀態(tài)是緊貼在內(nèi)層氣囊上的，內(nèi)層氣囊中的氫/氦氣氣體足夠多，使得內(nèi) 層氣囊所受的外界空氣的浮力，略小于整個裝置所受的重力，機器人在此狀態(tài) 下，由外界風力的驅動可做純滾動運動。對于十二瓣外層氣囊和內(nèi)層氣囊，每一扇瓣之間均有半圓形擋板部件和隔 膜布板隔離，在其每兩扇瓣之間的半圓形擋板部件上安裝有充放氣用的聚乙烯 塑料管，它是多通路聯(lián)接管，塑料管一端的兩個通路出口分別與內(nèi)核球體內(nèi)部 的氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置、充放氣裝置封閉聯(lián)接，另一端三個通路出口的兩個通路出口分別與十二瓣外層氣囊以及內(nèi)層氣囊封閉聯(lián)接，剩余 的一個通路開口朝向外界環(huán)境。塑料管的各通路口聯(lián)接處均安裝有電磁氣閥； 十二瓣外層氣囊和內(nèi)層氣囊上均安裝有氣嘴，用于聯(lián)接塑料管。各十二瓣外層 氣囊通過其兩側分別與半圓形擋板裝置粘接聯(lián)接，各十二瓣內(nèi)層氣囊通過其內(nèi) 側分別與內(nèi)核球體外表面粘接聯(lián)接。氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置和 充放氣裝置的充/放氣量，均由核心控制板控制電磁氣閥來予以實現(xiàn)。內(nèi)核球體系統(tǒng)是一個封閉薄壁空心球體裝置，其殼體即內(nèi)核球體為硬質(zhì)輕 合金材料；其外部過中軸安裝有內(nèi)核鉸聯(lián)接軸，其內(nèi)部安裝有氫/氦氣反應裝置 或液態(tài)氫/氦儲-存裝置、充放氣裝置、電磁氣閥、核心控制板、電源、傳感器組 以及無線收發(fā)^塊，其功能一方面是生成輕質(zhì)氣體并進行^放氣工作，另一方 面是獲取環(huán)境信息并與外界進行無線通信。該機器人構型是一種可展開結構，其初始為折疊狀態(tài)，它是由半圓形擋板 部件相互緊貼而折疊為半圓餅狀，外圍有包裝帶緊密捆扎以維持其半圓餅狀形 態(tài)；隔膜布板部件、未充氣的十二瓣外層氣囊和十二瓣內(nèi)層氣囊則分別折疊壓 貼于各擋板之間；其中，小半圓板和半圓環(huán)形板分別位于此半圓餅狀體兩相反 外表面，此時半圓形擋板部件之間的扭簧均處于壓縮狀態(tài)。當該機器人運送/ 發(fā)射到達某一探測環(huán)境開始工作時，通過人工發(fā)送指令，控制啟動包裝帶上的 電控爆斷開關，使其斷開包裝帶；被壓縮的扭簧隨后則自動彈性伸展，依次拉 動半圓形擋板部件圍繞內(nèi)核鉸聯(lián)接軸轉動，半圓形擋板部件、隔膜布板部件、 十二瓣外層氣囊和十二瓣內(nèi)層氣囊從而順次展開，直到小半圓板和半圓環(huán)形板 在扭簧作用下拼合到位，即兩者共面，且小半圓板外緣與半圓環(huán)形板內(nèi)緣卡位 相切，本機器人展開過程完成；同時，觸發(fā)核心控制板發(fā)出指令，打開電磁氣 閥，將預先壓縮的一定量氫/氦氣輕質(zhì)氣體通過充放氣裝置充入內(nèi)層氣囊中，這 時形成的外輪廓為工作狀態(tài)的球形結構；而且，其風載升力和浮力的合力略小 于重力，球形機器人在探測環(huán)境表面受風力驅動將做滾動運動。 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有如下的優(yōu)點1、 本發(fā)明與其它類型的機器人相比較，主要依靠外界風力等自然力實現(xiàn) 運動，因此耗能小，活動范圍大。2、 本發(fā)明結構簡單，實現(xiàn)成本低，適用于作群體協(xié)同工作，并可一次性 使用。3、 本發(fā)明的外層氣囊裝置在充放氣系統(tǒng)的作用下可選擇不同的狀態(tài)，使 得機器人既可以做純滾動運動，又可以做漂浮飛行運動，這樣機器人就不容易 受障礙物阻擋，并且避免了群體協(xié)同工作時的冗余現(xiàn)象。4、 本發(fā)明中設計了合理的半圓形擋板組合結構，提高了機器人的風載能 力、抗沖擊能力和使用性能。5、 本發(fā)明可根據(jù)不同用途制作成不同尺寸大小的機器人，形成系列化； 其制造和裝配簡單，成本低廉。由于本發(fā)明具有上述的優(yōu)點，因此具有廣泛的推廣應用價值。在工業(yè)應用 上，可作為探索儀器搭載平臺用來對沙漠、河流、溝渠、極地等特殊環(huán)境進行 探索；在軍事應用上，可用它搭載偵察裝置進行偵査，若搭載武器，可完成特 殊的戰(zhàn)斗任務。在宇宙探測領域，可以用于未來火星等星體環(huán)境探測，并且可 以一次性使用進行群體f同工作。


圖1是本發(fā)明的工作狀態(tài)結構組成示意圖 圖2是本發(fā)明的展開過程原理示意圖具體實施方式
在機器人研究過程中，將多種運動方式進行綜合，是實現(xiàn)擴展機器人運動 范圍、提高其自適應能力的主要途徑。對于風力裝置，除環(huán)境因素外，作用在 該裝置上的風力與其形狀和主要尺寸有關。因此，可通過改變該裝置的外部結 構形狀以調(diào)整作用在其O:的風載，自然界中的鳥類就是通過改變翅膀形狀調(diào)整 所受的風載以實現(xiàn)不同的飛行運動。據(jù)此，本發(fā)明提出了一個風力驅動多形態(tài) 球形機器人的構型設計，該機器人可以通過自動改變自身形狀以調(diào)整所受的空 氣動力，實現(xiàn)多種運動方式。本發(fā)明就是根據(jù)上述的設計思想進行設計實現(xiàn)的。參照圖1和圖2，圖l是本發(fā)明的工作狀態(tài)結構組成示意圖，圖2是本發(fā) 明的展幵過程原理示意圖，為了觀察和敘述更加清晰，其中圖2(a) (c)畫出了 不含外層氣囊3、內(nèi)層氣囊4的結構展開過程示意圖。該機器人主要包括半圓形擋板裝置1、隔膜布板裝置2、外層氣囊3、內(nèi)層 氣囊4、內(nèi)核球體系統(tǒng)共五大部分。內(nèi)核球體系統(tǒng)由內(nèi)核球體5、內(nèi)核鉸聯(lián)接 軸15、氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8、充/放氣裝置9、電磁氣閥10、 核心控制板11、電源12、傳感器組13以及無線收發(fā)模塊14等部件組成，起 著檢測環(huán)境信息、調(diào)整結構及姿態(tài)并與外界進行無線通信的作用。機器人外輪廓呈球形，半圓形擋板裝置1由多塊半圓形擋板部件相互之間 有序的聯(lián)接而組成，這些部件均勻地配置在內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍，外形均為半 圓環(huán)形，各個半圓形擋板部件的外輪廓邊緣均在同一球面上，以半圓軸邊與內(nèi) 核球體5上固連的內(nèi)核鉸聯(lián)接軸15形成同軸轉動副。為達到在具體的探測環(huán) 境實現(xiàn)不同的風力載荷的目的，可以將多塊半圓形擋板部件設計為4±央/6塊/8塊/10塊/12塊均勻配置在內(nèi)核球體外部的多種方式。本發(fā)明圖例以六塊半圓形 擋板部件l-l l-6均勻配置在內(nèi)核球體5的外部的結構方式進行說明，參見圖 1、圖2所示。半圓形擋板的外邊緣材料為聚四氟乙烯，內(nèi)部材料為尼龍布。隔膜布板裝 置2包括隔膜布板2-l 2-6，材料為尼龍布。這些隔膜布板為共面的、均勻分 布可折疊的薄扇形板，位于半圓形擋板部件l-l l-6中截面上，垂直于各個半 圓形擋板部件，均勻配置于內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍，并分別與各半圓形擋板部件 固接。這種結構可以有效地利用外部風能，同時具有重量輕、彈性好的優(yōu)點。 特別需要指出的是，半圓形擋板f!H牛1-6由小半圓板1-6'和半圓環(huán)形板l-6"f 合而成，小半圓板1-6'與隔膜布|^2-6固聯(lián)，半圓環(huán)形板l-6"則與隔膜布板2-5 固聯(lián)。相鄰的半圓形擋板部件l-l l-6之間分別安裝有扭簧16，其安裝軸線 沿各半圓形擋板部件的半圓軸邊方向。扭簧16由電控爆斷開關17通過人工指 令方式控制其打開。外層氣囊3與內(nèi)層氣囊4均為十二瓣，分別位于半圓形擋板部件l-l l-6 與隔膜布板2-l 2-6形成的十二個相同的異形扇狀開口腔體內(nèi)。十二瓣外層氣. 囊3、內(nèi)層氣囊4的氣囊瓣均為扇狀體，各層的氣囊瓣相互組合分別構成一個 球體氣囊，氣囊瓣扇狀體體積為各自構成的球體體積的十二分之一。兩層氣囊 均采用彈性尼龍布材料制成。十二瓣內(nèi)層氣囊4的氣囊瓣中都預先充滿了氫/ 氦氣，而外層氣囊3在機器人的初始狀態(tài)是緊貼在內(nèi)層氣囊4上的，內(nèi)層氣囊 4中的氫/氦氣氣體足夠多，使得內(nèi)層氣囊4所受的外界空氣的浮力，略小于整 個裝置所受的重力。而且，內(nèi)層氣囊4的輪廓尺寸小于多塊半圓形擋板部件 l-l l-6邊緣球形輪廓尺寸，機器人在此狀態(tài)下，由外界風力的驅動，以半圓 形擋板部件l-l l-6邊緣與地面點接觸做純滾動運動。對于十二瓣外層氣囊3和內(nèi)層氣囊4,每一扇瓣之間均有半圓形擋板部件 l-l l-6和隔膜布板2-l 2-6隔離，在其每兩扇瓣之間的半圓形擋板部件上安 裝有充放氣用的聚乙烯塑料管6，為多通路聯(lián)接管，塑料管6—端的兩個通路 出口分別與內(nèi)核球體5內(nèi)部的氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8、充/放 氣裝置9封閉聯(lián)接，另一端三個通路出口的兩個通路出口分別與十二瓣外層氣 囊3以及內(nèi)層氣囊4封閉聯(lián)接，剩余一個通路出口開口朝向外界環(huán)境。塑料管 6的各通路口聯(lián)接處均安裝有電磁氣闊10。十二瓣外層氣囊3和內(nèi)層氣囊4上 均安裝有氣嘴7，用于聯(lián)接塑料管6。各十二瓣外層氣囊3通過其兩側分別與 半圓形擋板裝置1粘接聯(lián)接，各十二瓣內(nèi)層氣囊4通過其內(nèi)側分別與內(nèi)核球體 5外表面粘接聯(lián)接。氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8和充/放氣裝置9的充/放氣量，均由核心控制板11控制電磁氣閥IO來予以實現(xiàn)。內(nèi)核球體系統(tǒng)是一個封閉薄壁空心球體裝置，其殼體即內(nèi)核球體5為硬質(zhì) 輕合金材料。其外部過中軸安裝有內(nèi)核鉸聯(lián)接軸15，其內(nèi)部安裝有氫/氦氣反 應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8、充/放氣裝置9、電磁氣閥IO、核心控制板ll、 電源12、傳感器組13以及無線收發(fā)模塊14，其功能一方面是生成輕質(zhì)氣體并 進行充、放氣工作，另一方面是獲取環(huán)境信息并與外界進行無線通信。 本發(fā)明實施例的具體實施過程為考慮到太空發(fā)射或易于儲運、收藏等因素，本機器人構型是一種可展開結 構，其初始折疊態(tài)示意圖見圖2(a)。半圓形擋板部件l-l l-6相互緊貼為半圓 餅狀，外圍有包裝帶18緊密捆扎以維持^半圓餅狀形態(tài)。隔膜布板2-l 2-6、 未充氣的十二瓣外層氣囊3和十二瓣內(nèi)層氣囊4則分別折疊壓貼于各擋板之 間。其中，小半圓板1-6'和半圓環(huán)形板l-6"分別位于此半圓餅狀體兩相反外表 面，此時半圓形擋板部件1-1 1-6之間的扭簧16均處于壓縮狀態(tài)。當該機器 人運送/發(fā)射到達某一探測環(huán)境開始工作時，通過人工發(fā)送指令，控制啟動包裝 .帶18上的電控爆斷開關17,使其斷開包裝帶18。被壓縮的扭簧16隨后則自 動彈性伸展，依次拉動半圓形擋板部件l-l l-6圍繞內(nèi)核鉸聯(lián)接軸15轉動， 半圓形擋板部件l-l l-6、隔膜布板2-l 2-6、十二瓣外層氣囊3和十二瓣內(nèi) 層氣囊4從而順次展開，直到小半圓板1-6'和半圓環(huán)形板l-6"在扭簧16作用 下拼合到位，即兩者共面，且小半圓板.l-6'外緣與半圓環(huán)形板l-6"內(nèi)緣卡位相 切，本機器人展開過程完成。同時，觸發(fā)核心控制板11指令，打開電磁氣閥 10，將預先壓縮的一定量氫/氦氣輕質(zhì)氣體通過充、放氣裝置9充入內(nèi)層氣囊4 中，這時形成的外輪廓為工作狀態(tài)的球形結構。而且，其風載升力和浮力的合 力略小于重力，球形機器人在探測環(huán)境表面受風力驅動將做滾動運動。具體展 開過程示意圖參見圖2(a) (d)。在該球形機器人進行探測工作時，核心控制板11實時讀取傳感器組13的 數(shù)據(jù)，獲取本地環(huán)境信息，并通過無線收發(fā)模塊14將檢測到的信息發(fā)送到外 界接收服務器，以便人工下達指令。另一方面，核心控制板11將通過傳感器 組13獲取自身的運動狀態(tài)，當機器人在探測環(huán)境表面需要在某一方向改變所 受的風力以調(diào)整其位位置姿態(tài)時，核心控制板11通過自動控制充/放氣裝置9 對十二瓣外層氣囊3進行不均衡充放外部環(huán)境氣體，改變自身形狀，以調(diào)整機 器人所受的空氣動力，從而在探測環(huán)境中實現(xiàn)沿預定的方向滾動運動。運動機器人可以根據(jù)環(huán)境狀態(tài)選擇自身的漂浮運動狀態(tài)，當遇到較大的障 礙物或者機器人需要做大范圍、遠距離探測時，通過人工指令發(fā)送到核心控制外部環(huán)境信息反饋到核心控制板11;再由核心控 制板11向充/放氣裝置9發(fā)送指令，將外層氣囊3中的氣體向外部環(huán)境排出； 最后核心控制板11向氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8發(fā)送指令，啟動 該裝置生成氣態(tài)氫/氦氣，同時打開電磁氣閥10,通過塑料管6與固聯(lián)在外層 氣囊3上的氣嘴7，將生成的氫/氦氣充入十二瓣外層氣囊3。當外層氣囊3充 入氫/氦氣體時，機器人所受的浮力將逐漸增加。由于內(nèi)層氣囊4所受的浮力略 小于機器人整體所受的重力，外層氣囊3中只需充入少量氫/氦氣體即可使其總 浮力大于總重力。當機器人總浮力大于總重力時，球形機器人則離開探測環(huán)境 表面，'，外界風力作用下沿著一定的方向做漂浮飛，運動，以越過障礙物或到 達預定'探測地點。機器人在此過程中的外觀形態(tài)參見圖2(d) (f)。在該機器人以漂浮飛行狀態(tài)運動時，可以通過控制氫/氦氣反應裝置或液態(tài) 氫/氦儲存裝置8和充/放氣裝置9，對十二瓣外層氣囊3進行不均衡充放氫/氦 氣體，機器人的外形可變化成為十二瓣異形氣囊的異形外觀結構或橢球體，來 調(diào)整飄浮運動的高度、姿態(tài)和運動方向。機器人做漂浮運動時的外觀形態(tài)參見 圖2(g) (i)。在越過障礙物或是需要做某處地面的詳細探測時，核心控制板11將控制 充/放氣裝置9將外層氣囊3中的氣體放出，機器人將緩慢降落地面，外層氣囊 3體積隨之彈性收縮，重新緊貼于內(nèi)層氣囊4之上，半圓形擋板裝置l外邊緣 與地面點接觸，在風力驅動下恢復純滾動運動。該構型中，內(nèi)層氣囊4一旦充氣完畢，其形狀體積將不會再發(fā)生變化。外 層氣囊3的體積通過充/放氣裝置9可自動改變。另外，可以分別控制十二瓣外 層氣囊3的充放氣量，這樣可任意的改變氣囊球體的外部形狀，以產(chǎn)生不同的 風動力，得到不同的飄浮飛行姿態(tài)。在該機器人探測過程中，飄浮飛行運動是機器人使用較少的一種運動方 式，僅在遇到地面運動方式難以翻越的障礙物或者群體探測出現(xiàn)"擁擠"問題 時才使用，因此，其自身攜帶的氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置8生成 氫/氦氣體的不可逆性缺陷的體現(xiàn)不是很明顯。我們初步計算結果表明在地球 環(huán)境中，總重20kg、直徑3m的這種球形機器人可實現(xiàn)上述各種運動方式。這 種構型集成了充氣球結構和箱形風箏結構的優(yōu)點，并實現(xiàn)了新的運動功能。通 過對這種構型設計的運動分析及仿真研究，可為其最優(yōu)設計參數(shù)的確定提供依 據(jù)。.這種風力驅動多形態(tài)環(huán)境探測球形機器人結構簡單、能耗小、成本低，可 用于地球上的沙漠、火山、極地等特殊環(huán)境和月球、火星等行星環(huán)境的遠距離 大范圍探測。
權利要求
1、一種風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機器人，其特征在于該球形機器人是一種可展開結構，其初始為折疊態(tài)，呈半圓餅狀，易于太空發(fā)射、儲運和收藏；完全展開的形態(tài)是整體呈球形輪廓；該機器人包括半圓形擋板裝置(1)、隔膜布板裝置(2)、外層氣囊(3)、內(nèi)層氣囊(4)、內(nèi)核球體系統(tǒng)及有關部件；它是將半圓形擋板裝置(1)、隔膜布板裝置(2)、外層氣囊(3)和內(nèi)層氣囊(4)相聯(lián)接，通過鉸聯(lián)接在內(nèi)核球體系統(tǒng)的外部過中軸安裝的內(nèi)核鉸聯(lián)接軸(15)，與內(nèi)核球體系統(tǒng)進行鉸聯(lián)接方式有機的組合安裝而構成；內(nèi)層氣囊(4)中充有氫/氦氣體，氣囊所受的浮力略小于機器人自身的重力，使球形機器人在探測環(huán)境表面受風力驅動做滾動運動；安裝在內(nèi)核球體系統(tǒng)中的核心控制板(11)，根據(jù)外界環(huán)境條件控制同樣安裝在內(nèi)核球體系統(tǒng)的內(nèi)核球體(5)中的氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置(8)和充放氣裝置(9)，向外層氣囊(3)中充、放氣，使得機器人具有純滾動或漂浮兩種運動狀態(tài)；為達到在不同的探測環(huán)境實現(xiàn)不同的風力載荷的目的，可以將半圓形擋板裝置(1)設計為4塊/6塊/8塊/10塊/12塊等不同數(shù)量的半圓形擋板部件，并將它們均勻配置在內(nèi)核球體(5)的外部，構成不同的結構的球形機器人。
2、 根據(jù)權利要求1所述的風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機 器人，其特征在于，半圓形擋板裝置(1)由半圓形擋板部件(1-1) (1-6) 相互之間有序的聯(lián)接而組成，.這些部件均勻地配置在內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍， 外形均為半圓環(huán)形，各個半圓形擋板部件的外輪廓邊緣均在同一球面上，以 半圓軸邊與內(nèi)核球體(5)上固連的內(nèi)核鉸聯(lián)接軸(15)形成同軸轉動副；半 圓形擋板的外邊緣材料為聚四氟乙烯，內(nèi)部材料為尼龍布；隔膜布板裝置(2) 包括隔膜布板(2-1) (2-6),材料為尼龍布；這些隔膜布板為共面的、均 勻分布可折疊的薄扇形板，位于半圓形擋板部件(1-1) (1-6)的中截面上， 且垂直于各個半圓形擋板部件，均勻配置于內(nèi)核球體系統(tǒng)的外圍，并分別與 各半圓形擋板部件固聯(lián)；特別需要指出的是，半圓形擋板部件(1-6)由小半 圓板(l-6')和半圓環(huán)形板(l-6")拼合而成，小半圓板(l-6')與隔膜布板(2-6)固聯(lián)，半圓環(huán)形板(l-6")則與隔膜布板(2-5)固聯(lián)；相鄰的半圓形 擋板部件(1-1) (1-6)之間分別安裝有扭簧(16)，其安裝軸線沿各半圓 形擋板部件的半圓軸邊方向；扭簧(16)由電控爆斷開關(17)通過人工指 令方式控制其打開；外層氣囊(3)與內(nèi)層氣囊(4)均為十二瓣，分別位于半圓形擋板部件 (1-1) (1-6)與隔膜布板(2-1) (2-6)形成的十二個相同的異形扇狀 開口腔體內(nèi)；十二瓣外層氣囊(3)、內(nèi)層氣囊(4)的氣囊瓣均為扇狀體，各 層的氣囊瓣相互組合分別構成一個球體氣囊，氣囊瓣扇狀體體積為各自構成 的球體體積的十二分之一；兩層氣囊均采用彈性尼龍布材料制成；十二瓣內(nèi)層氣囊(4)的氣囊瓣中都預先充滿了氫/氦氣，而外層氣囊(3)在機器人的 初始狀態(tài)是緊貼在內(nèi)層氣囊(4)上的，內(nèi)層氣囊(4)中的氫/氦氣氣體足夠 多，使得內(nèi)層氣囊(4)所受的外f空氣的浮力，略小于整個裝置所受的重力， 機器人在此狀態(tài)下，由外界風力^驅動可做純滾動運動；對于十二瓣外層氣囊(3)和內(nèi)層氣囊(4)，每一扇瓣之間均有半圓形擋 板部件(1-1) (1-6)和隔膜布板(2-1) (2-6)隔離，在其每兩扇瓣之 間的半圓形擋板部件上安裝有充放氣用的聚乙烯塑料管(6)，它是多通路聯(lián) 接管，塑料管(6) —端的兩個通路出口分別與內(nèi)核球體(5)內(nèi)部的氫/氦氣 反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置(8)、充放氣裝置(9)封閉聯(lián)接，另一端三個 通路出口的兩個通路出口分別與十二瓣外層氣囊(3)以及內(nèi)層氣囊(4)封 閉聯(lián)接，剩余的一個通路開口朝向外界環(huán)境；塑料管(6)的各通路口聯(lián)接處. 均安裝有電磁氣閥(10);十二瓣外層氣囊(3)和內(nèi)層氣囊(4)上均安裝有 氣嘴(7)，用于聯(lián)接塑料管(6);各十二瓣外層氣囊(3)通過其兩側分別與 半圓形擋板裝置(1)粘接聯(lián)接，各十二瓣內(nèi)層氣囊(4)通過其內(nèi)側分別與 內(nèi)核球體(5)外表面粘接聯(lián)接；氫/氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置(8) 和充放氣裝置(9)的充/放氣量，均由核心控制板(11)控制電磁氣閥(10) 來予以實現(xiàn)；內(nèi)核球體系統(tǒng)是一個封閉薄壁空心球體裝置，其殼體即內(nèi)核球體(5)為 硬質(zhì)輕合金材料；其外部過中軸安裝有內(nèi)核鉸聯(lián)接軸(15)，其內(nèi)部安裝有氫 /氦氣反應裝置或液態(tài)氫/氦儲存裝置(8)、充放氣裝置(9)、電磁氣閥(10)、 核心控制板(11)、電源(12)、傳感器組(13)以及無線收發(fā)模塊(14)，其 功能一方面是生成輕質(zhì)氣體并進行充放氣工作，另一方面是獲取環(huán)境信息并 與外界進行無線通信。
3、根據(jù)權利要求1所述的風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機 器人，其特征在于，該機器人構型是一種可展開結構，其初始為折疊狀態(tài)， 它是由半圓形擋板部件(1-1) (1-6)相互緊貼而折疊為半圓餅狀，外圍有 包裝帶(18)緊密捆扎以維持其半圓餅狀形態(tài)；隔膜布板(2-1) (2-6)、未充氣的十二瓣外層氣囊(3)和十二瓣內(nèi)層氣囊(4)則分別折疊壓貼于各 擋板之間；其中，小半圓板(l-6')和半圓環(huán)形板(l-6")分別位于此半圓餅 狀體兩相反外表面，此時半圓形擋板部件(1-1) (1-6)之間的扭簧(16) 均處于壓縮狀態(tài)；當該機器人運送/發(fā)射到達某一探測環(huán)境開始工作時，通過 人工發(fā)送指令，控制啟動包裝帶(18)上的電控爆斷開關(17)，使其斷開包 裝帶(18);被壓縮的扭簧(16)隨后則自動彈性伸展，依次拉動半圓形擋板 部件(1-1) (1-6)圍繞內(nèi)核鉸聯(lián)接軸(15)轉動，半圓形擋板部件(1-1) (1-6)、隔膜布板(2-1) (2-6)、十二lf外層氣囊(3)和十二瓣內(nèi)層氣囊 (4)從而順次展開，直到小半圓板(l-6')和半圓環(huán)形板(l-6")在扭簧(16) 作用下拼合到位，即兩者共面，且小半圓板(l-6')外緣與半圓環(huán)形板(l-6") 內(nèi)緣卡位相切，本機器人展開過程完成；同時，觸發(fā)核心控制板(11)發(fā)出 指令，打開電磁氣閥(10)，將預先壓縮的一定量氫/氦氣輕質(zhì)氣體通過充放氣 裝置(9)充入內(nèi)層氣囊(4)中，這時形成的外輪廓為工作狀態(tài)的球形結構； 而且，其風載升力和浮力的合力略小于重力，球形機器人在探測環(huán)境表面受 風力驅動將做滾動運動。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種風力驅動具有多種運動方式的環(huán)境探測球形機器人。它涉及機械技術領域，其目的是采用該機器人，可以使其在風力作用下，根據(jù)不同地形環(huán)境自主選擇滾動和漂浮等運動方式，并具有能耗低、成本小的優(yōu)點。該機器人主要包括半圓形擋板裝置、隔膜布板裝置、外層氣囊、內(nèi)層氣囊、內(nèi)核球體系統(tǒng)。內(nèi)核球體系統(tǒng)由內(nèi)核球體、氫/氦氣反應或液氫/氦儲存裝置、充放氣裝置、電磁氣閥、核心控制板、電源、傳感器組及無線收發(fā)模塊等部件組成，用于檢測環(huán)境信息且與外界進行無線通信，并控制和實現(xiàn)充放氣，使機器人具有純滾動與漂浮兩種運動狀態(tài)。本發(fā)明可用于極地、沙漠等地面環(huán)境和行星表面的環(huán)境探測，也可用于偵查、娛樂、軍事等領域。
文檔編號B62D57/00GK101249849SQ20081001789
公開日2008年8月27日 申請日期2008年4月8日 優(yōu)先權日2008年4月8日
發(fā)明者宇 劉, 卓 張, 張家友, 徐慧娟, 李團結, 李孟健, 李曉鋒, 敏 楊, 蓋萌萌 申請人:西安電子科技大學