本發(fā)明屬于特種機器人領域，具體涉及到一種具有能量收集能力的被動式移

動機器人。

背景技術(shù)：

目前，進行海洋環(huán)境和極地環(huán)境的信息收集已日益得到世界各國的科研人員的重視。海洋環(huán)境和極地環(huán)境中具有豐富的礦產(chǎn)資源、生物資源和空間資源等，但是由于海洋的環(huán)境復雜，面積遼闊，而極地環(huán)境常年被冰雪覆蓋，不適合人類正常生活和行動，環(huán)境的特殊性給科研人員順利執(zhí)行環(huán)境信息收集任務帶來了困難。近年來，應用自主機器人技術(shù)進行危險環(huán)境的探測越來越受到人們的關(guān)注，但是由于海洋環(huán)境和極地環(huán)境遠離人類生活和工作的場所，并且機器人攜帶的能源有限，因此機器人在這種特殊環(huán)境下的長期工作受到了限制。因此發(fā)明一種不需要攜帶能源就能夠長期移動并執(zhí)行環(huán)境探測任務的機器人有著重要的意義。

發(fā)明一種不需要攜帶能源就能長期執(zhí)行環(huán)境探測任務的機器人，這就要求機器人要具有能量收集能力。目前能夠?qū)h(huán)境中的外部能量轉(zhuǎn)換為電能的機器人當中，以收集太陽能來發(fā)電的環(huán)境探測機器人較為常見，但是這種機器人一方面要求所探測環(huán)境要有充足光能，另一方面也要求機器人有足夠大的表面積來展開電池板，而海洋深處和地球兩極地區(qū)長時間沒有陽光覆蓋，所以通過收集太陽能供電的機器人應用到這種環(huán)境會受到限制。還有一種常見的能量收集裝置，就是利用壓電陶瓷來吸收機械振動的能量，使用這種能量收集方法要求機器人額外攜帶發(fā)電裝置，并且在移動過程中要有振動產(chǎn)生，而機器人在極地環(huán)境下或者海洋環(huán)境下移動，產(chǎn)生這種期望的振動較為困難，這種能量收集方法也不是很理想。因此綜合分析海洋和極地的特殊環(huán)境，結(jié)合探測機器人要具有移動和信息收集的要求，研究一種能夠被動式移動并且收集外部能量進行海洋和極地環(huán)境探測的機器人具有重要意義。

與現(xiàn)有的公開的機器人技術(shù)不同，本專利發(fā)明的這種機器人具有被動式移動能力和能量收集能力，能利用環(huán)境中洋流力和風力被動地移動，同時將機械能轉(zhuǎn)換成電能。整個機器人呈現(xiàn)球狀形態(tài)，受到外部環(huán)境洋流力和風力的作用，機器人利用殼體可以通過滾動的方式移動，內(nèi)部的電池可以相對于球殼轉(zhuǎn)動，發(fā)電裝置可以將轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電能存儲在電池內(nèi)。本專利專門設計了瓣式彈性殼體，四路發(fā)電裝置和雙自由度擺動機構(gòu)，使所發(fā)明的機器人在環(huán)境外力作用下能夠被動式移動，同時也可以收集環(huán)境的能量。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于針對現(xiàn)有環(huán)境探測機器人的不足，設計了一種具有能量收集和被動式移動能力的機器人，該種機器人利用環(huán)境中的洋流力和風力為自己的移動和傳感器探測提供能量；機器人采用封閉式的彈性殼體，內(nèi)部元件可安裝在殼體內(nèi)，不會受外部海水侵蝕和物體刮碰，殼體彈性能夠緩沖過大的沖擊力，當機器人移動時發(fā)電裝置將生成電流，最終導入到電池中存儲。雙自由度擺動機構(gòu)的兩個轉(zhuǎn)動軸線相互垂直相交，可以實現(xiàn)雙自由度擺動。機器人具有良好的平面移動能力，收集環(huán)境能量存儲到電池中，可為探測傳感器供電，具有長期在海洋和極地環(huán)境中執(zhí)行信息采集任務的能力。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種具有能量收集能力的被動式移動機器人，其包括：瓣式彈性殼體，四路發(fā)電裝置和雙自由度擺動機構(gòu)組成，其中所述瓣式彈性殼體是由若干個氣囊拼裝成圓球狀，位于機器人的最外層，四路發(fā)電裝置和雙自由度擺動機構(gòu)位于瓣式彈性殼體內(nèi)；所述雙自由度擺式電池倉安裝在機器人的中心位置，其質(zhì)量重心在機器人球心下方，用于儲存機器人收集到的能量，沿水平軸線與機器人殼體相對擺動；所述四路發(fā)電裝置均勻布置在機器人的內(nèi)部擺環(huán)上，用于同時將兩個方向的機械轉(zhuǎn)動能量進行轉(zhuǎn)化，可將機械相對轉(zhuǎn)動速度放大傳遞至感應線圈，感應線圈切割永磁體的磁感線磁轉(zhuǎn)換成電流能進行存儲，為機器人的微型器件提供能量。

進一步的，所述機器人的瓣狀彈性殼體由四個瓣狀氣囊組成，瓣狀氣囊的外部邊緣處設計有三條粘性帶條，左右兩側(cè)粘性帶條可以與相鄰的瓣狀彈性氣囊粘結(jié)，中間粘性帶條可以與機器人的球狀框架粘結(jié)。

進一步的，所述四個瓣狀氣囊內(nèi)部充滿氣體，均勻包裹在機器人球狀框架外。

進一步的，所述四路發(fā)電裝置包括第一路發(fā)電裝置-第四輪發(fā)電裝置，均勻的設置于機器人機器人球狀框架內(nèi)部四個方向上，所述第一路發(fā)電裝置主要由增速器，永磁體，感應線圈組成；擺環(huán)與球狀框架連接處設計有共軸的兩個發(fā)電機，收集擺環(huán)與球狀框架相對轉(zhuǎn)動機械能，擺軸與擺環(huán)連接處設計有共軸的兩個發(fā)電機，收集擺軸與擺環(huán)相對轉(zhuǎn)動的機械能；增速器輸出軸與線圈固連，用來提升線圈的轉(zhuǎn)動速度，使感應線圈快速切割永磁體產(chǎn)生的磁感線，生成的電流從球狀框架傳導到擺圈，再從擺圈傳導到擺軸。

進一步的，所述機器人的雙自由度擺動機構(gòu)主要包括球狀框架、擺圈、擺軸、和電池組成；擺圈的中心與球狀框架中心重合，并且擺圈可以繞與其相連的一對發(fā)電機的軸線相對球狀框架轉(zhuǎn)動，長方形電池固聯(lián)在擺軸的中間，重心在擺軸下部，電池和擺軸可繞與其相連另一對發(fā)電機的軸線相對擺圈轉(zhuǎn)動，可保證電池在機器人內(nèi)部的具有兩個自由度的擺動，不會影響機器人在地面移動的機動性。

進一步的，所述球狀框架由四個半弧形金屬條焊接成球形，所述擺圈可以與球狀框架相對轉(zhuǎn)動，擺軸可以與擺圈相對轉(zhuǎn)動，擺圈和擺軸的擺動軸線相互垂直。

本發(fā)明的優(yōu)點及有益效果如下：

本發(fā)明的優(yōu)點在于根據(jù)海洋和極地環(huán)境探測機器人的性能要求，發(fā)明了一種具有能量收集能力的被動式移動機器人；這種小型機器人具有彈性的球狀外殼，在環(huán)境外力作用下可以自由滾動，球殼由四個瓣狀氣囊組成，便于拆卸和安裝；內(nèi)部設計有四路發(fā)電裝置可以將機器人球殼轉(zhuǎn)動的機械能轉(zhuǎn)換成電能，存儲在內(nèi)部電池中，給傳感器供電；機器人內(nèi)部的雙自由度擺動機構(gòu)具有兩個擺動自由度且擺軸相互垂直，一方面為發(fā)電機設計提供空間，另一方面不會影響機器人的被動式移動。綜上所述，所發(fā)明的機器人能夠在不攜帶電源的條件下，在海洋和極地環(huán)境下長期的移動并執(zhí)行探測任務。

附圖說明

圖1是本發(fā)明提供優(yōu)選實施例的機器人外觀示意圖

圖2為本發(fā)明的機器人去除部分球殼的裝配示意圖

圖3為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖

圖4為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖

圖5為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)前視圖

圖6為本發(fā)明的機器人擺圈與擺軸的裝配示意圖

圖中標號：1：瓣狀氣囊，2：粘性帶條，3：球狀框架，4：擺圈，5：擺軸，6：左電機的線圈，7：左電機的永磁體，8：左電機的增速器，9：右電機的線圈，10：右電機的永磁體，11：右電機的增速器，12：前電機的線圈，13：前電機的永磁體，14：前電機的增速器，15：電池，16：后電機的線圈，17：后電機的永磁體，18：后電機的增速器。

具體實施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實施例中的附圖，對本發(fā)明實施例中的技術(shù)方案進行清楚、詳細地描述。所描述的實施例僅僅是本發(fā)明的一部分實施例。

本發(fā)明解決上述技術(shù)問題的技術(shù)方案是：

本發(fā)明的結(jié)構(gòu)設計，主要內(nèi)容就是設計了一個具有收集外部環(huán)境能量和被動式移動能力的小型移動機器人。該機器人可將外部環(huán)境作用在球殼上的機械能轉(zhuǎn)換成電能并儲存在電池內(nèi)，可為機器人的攜帶的微型器件和無源傳感器供電，具有在海洋和極地環(huán)境下長期探測的能力。

圖1為發(fā)明的機器人外觀示意圖：從圖中可以看到機器人的正球形外殼是一個瓣式彈性殼體結(jié)構(gòu)，由四個瓣狀氣囊1拼裝而成，這種結(jié)構(gòu)可以緩沖外部力保護機器人內(nèi)部元件，也可以滾動移動。

圖2為本發(fā)明的機器人去除部分球殼的裝配示意圖，機器人的瓣狀氣囊1的側(cè)部帶有粘性帶條2可以與相鄰瓣狀氣囊粘接，中間的粘性帶條可以與球狀框架3粘接，這樣設計便于機器人的拆卸和安裝；機器人的四路發(fā)電裝置和雙自由度擺式電池倉安裝在機器人球狀框架3內(nèi)部。

圖3為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)俯視圖，圖4為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)側(cè)視圖，圖5為本發(fā)明的機器人內(nèi)部結(jié)構(gòu)前視圖：圖中球狀框架由四個半弧形金屬條焊接成球形，擺圈4位于球狀框架3內(nèi)部，擺圈4可以與球狀框架3相對轉(zhuǎn)動，擺軸5位于擺圈3內(nèi)部，擺軸5可以與擺圈4相對轉(zhuǎn)動，擺圈4和擺軸5的擺動軸線相互垂直，電池15固定在擺軸5中間，其重心位于擺軸5下方。

圖6為本發(fā)明的機器人擺圈與擺軸的裝配示意圖，圖中左電機的線圈6、左電機的永磁體7和左電機的增速器8組成了第一路發(fā)電裝置，右電機的線圈9、右電機的永磁體10和右電機的增速器11組成了第二路發(fā)電裝置，前電機的線圈12、前電機的永磁體13和前電機的增速器14組成了第三路發(fā)電裝置，后電機的線圈16、后電機的永磁體17和后電機的增速器18組成了第四路發(fā)電裝置；一路和二路發(fā)電裝置中的左電機的增速器8和右電機的增速器11位于擺圈4左右兩端，其軸線與擺圈4的轉(zhuǎn)動軸線重合，其外殼與擺圈4固連，其輸入軸與球狀框架3連接，其輸出軸各自與同路發(fā)電裝置的左電機的線圈6和右電機的線圈9連接，左電機的永磁體7位于左電機的線圈6兩側(cè)，并與擺圈4固連，右電機的永磁體10位于右電機的線圈9兩側(cè)，也與擺圈4固連；三路和四路發(fā)電裝置中的前電機的增速器14和后電機的增速器18位于擺軸5的前后兩端，其軸線與擺軸5的轉(zhuǎn)動軸線重合，其外殼與擺軸5固連，其輸入軸與擺圈4連接，其輸出軸各自與同路發(fā)電裝置的前電機的線圈12和后電機的線圈16連接，前電機的永磁體13位于前電機的線圈12的兩側(cè)，并與擺軸5固連，后電機的永磁體17位于后電機的線圈16的兩側(cè)，也與擺軸5固連。

機器人被動式移動和能量收集過程：由于機器人殼體呈球狀，當外部環(huán)境中的力(例如洋流力和風力)不均勻的作用在機器人的瓣狀氣囊1上時，機器人會被動地滾動，而機器人內(nèi)部的電池15的重心位于機器人球心的下方，在重力矩的作用下，電池15會擺動一個小角度，但是不會隨著球殼轉(zhuǎn)動，這樣電池15和球狀框架3之間就會存在相對轉(zhuǎn)動，這個相對轉(zhuǎn)動在球狀框架3內(nèi)部被分解成擺圈4和擺圈5的轉(zhuǎn)動，轉(zhuǎn)動速度經(jīng)過四路發(fā)電裝置的增速器進行放大，感應線圈快速切割永磁體的磁感線就生成了電流，最后導入電池15中進行存儲，為微型或無源傳感器供電，這就是機器人被動式移動和能量收集過程。

綜上所述：所發(fā)明的一種具有能量收集能力的被動式移動機器人，在環(huán)境外力作用下能夠被動式移動，瓣式彈性殼體呈圓球狀，不但可以滾動而且具有彈性可緩沖外部力，并且可以保護內(nèi)部元器件；雙自由度擺動機構(gòu)可以將球殼的滾動在機器人內(nèi)部分解成擺圈和擺軸的轉(zhuǎn)動；四路發(fā)電裝置對稱布置于相互垂直的旋轉(zhuǎn)軸上，能夠?qū)C器人移動過程中的轉(zhuǎn)動機械能轉(zhuǎn)化成電能存儲在電池中，可以為傳感器供電；機器人可以作為探測移動平臺，搭載各種微型和無源傳感器，在不需要額外攜帶能源的條件下就能在海洋和極地環(huán)境中長期執(zhí)行信息收集和探測任務。

以上這些實施例應理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。在閱讀了本發(fā)明的記載的內(nèi)容之后，技術(shù)人員可以對本發(fā)明作各種改動或修改，這些等效變化和修飾同樣落入本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。