风驱动磁控空气阀转向球形机器人

摘要

本发明涉及一种风驱动磁控空气阀转向球形机器人，包括外球壳、内球壳、转向及电能收集装置；所述内球壳为密封硬质球壳，由两个半球壳拼接固定而成；所述外球壳为具有一定柔性的有孔球壳，由两个半球壳拼接固定而成，在两个半球壳上均匀分布有若干个进气口；所述转向及电能收集装置包括磁控空气阀、磁控及电力收集联合装置和内部姿势保持机构；外球壳、内球壳和磁控空气阀的相互配合在两层球壳之间形成一个密闭的空腔，在风压的作用下形成腔内高压。本发明整体设计结构简单，功能紧凑，重量轻便，不需要复杂的内部传动机构，内部有大量空余空间可用于检测仪器的搭载。

说明书

技术领域

本发明涉及一种风驱动磁控空气阀转向球形机器人，是一种可以运用于极地科考探测的球形机器人，属于新型机器人开发的领域。

背景技术

南极的自然环境极其恶劣，导致户外考察工作极其艰辛且存在生命危险。为了能够更加安全，更加便利的考察更大面积的南极地貌并收集各种数据，利用一种可以进行极地数据采集的机器人装置来代替人工作是非常理想的设想。考虑到极地环境的特殊性（低温、大风、面积辽阔），所以考虑球形机器人为最佳的选择。球形机器人拥有独特的优点，其所有的驱动系统、控制系统以及检测系统都被密封包裹在球壳内，非常有利于隔绝环境中的低温影响，避免电路失效或检测数据失真。所以设计一种用于南极科考用的极地球形机器人是非常有意义的。

球形机器人是一种形状非常特殊的机器人，其特殊之处在于从外表看，没有任何裸露的机械结构或电子结构，只是纯粹的圆球。这种机器人最近受到了广泛的关注。它的特殊形态相对于目前传统的机器人来说拥有以下几个优点：整个系统被外壳完全覆盖住，可以得到全面保护；拥有类似轮式运动的高运动效率和稳定的运动规律；因为几何对称的固有性质，球形机器人的运动可以是全向的；球形机器人的外壳的每一部分可以充当作为一个“脚”，它可以在碰撞后快速恢复和自动适应接触到的柔软或不平的地形和其他工作条件。

根据目前已有的研究成果，从球形机器人的驱动系统的能源来源可以分为两大类：一类是自驱动，也就是依靠机器人的自带能源以及内部的机构产生动力使机器人运行。自驱动的特点是可操控性强，适应性好，对于工作环境的要求小，可以通过机器人的控制系统精确控制机器人的路径已进行最优路径规划；缺点是自驱动需要耗费大量的能量用于驱动系统，造成机器人的续航能力低下。

另一类是外驱动球形机器人，主要是依靠球形机器人所在环境的外部能源作为驱动能源，主要有风力驱动、水力驱动、太阳能驱动等。外驱动的优点是驱动不需要自供能源，驱动系统相较于自驱动系统而言被大大简化，甚至消失，机器人的所有自备能源可用于耗电量低的控制及检测系统，从而使球形机器人的续航能力极大提高；外驱动的缺点是对环境的依赖性强，只适合在特定的环境中使用。比如风力驱动只适用于风力资源丰富地域，水力驱动只适用于有较大水流的水域环境。

最早出现的外驱动球形机器人是2001年NASA喷气推进实验室报道的一种名叫Tumbleweed的极地探测球形机器人。这是一种大型的，靠风力吹动的充气式球体，在球体内部携带有各种检测仪器等载荷。由于整个球体是充气式的，运输时可以放气，将体积减小到极小的程度，非常便于携带。整个机器人结构简单轻便，为研究工作者在大面积区域内进行数据采集工作提供了有效而简便的方法。在格陵兰岛，风滚草巡游者完成了独自穿越130多公里长的冰原的探测工作。通过卫星网络传回了沿途的温度和压力的可靠数据。

单纯的外驱动球形机器人牺牲了可操控性，无法在有需要的时候进行变向控制，不能设计需要探测的路径，也无法实现主动壁障功能，使得该类球形机器人的应用存在局限性。

发明内容

本发明的目的是设计一款适合于极地科考的风驱动磁控空气阀转向球形机器人，可以利用风能作为驱动能源，并同时设计一种新颖的转向机制，既结构简单又节省能源，又兼具高效的电能收集功能。最终实现大幅提高航程和运动方向可操控功能。

为达到上述目的，本发明所采用的构思是：

一种风驱动磁控空气阀转向球形机器人，包括外球壳、内球壳、转向及电能收集装置；所述内球壳为密封硬质球壳，由两个半球壳拼接固定而成，能承受一定的外力而不产生大的变形，支撑起整个球体形状并将内部控制模块以及检测模块与外部低温环境隔绝开来，保证电子电路系统正常工作；所述外球壳为具有一定柔性的有孔球壳，由两个半球壳拼接固定而成，在两个半球壳上均匀分布有若干个进气口；所述转向及电能收集装置包括磁控空气阀、磁控及电力收集联合装置和内部姿势保持机构；外球壳、内球壳和磁控空气阀的相互配合在两层球壳之间形成一个密闭的空腔，在风压的作用下形成腔内高压。

所述磁控空气阀包括风口、空气阀壳、橡胶活塞、弹簧；所述风口有宽口和窄口，其中宽口在外球壳内表面与进气口对准固接，窄口上有外螺纹结构；所述空气阀壳有大直径端和小直径端，其中在大直径端外端车有一小段内螺纹，旋紧连接在风口的窄口外螺纹上；所述弹簧为压弹簧，弹簧直径小于空气阀壳大直径端内径，大于小直径端内径，放置在空气阀壳大直径端内，能够轴向移动；弹簧的弹性系数保证磁控空气阀在球壳高压区打开，在低压区关闭；所述橡胶活塞有大头和小头，中间以活塞杆连接，橡胶活塞插入空气阀壳内，小头和连杆穿过弹簧，大头压在弹簧上，整个活塞能够在轴向移动。

所述磁控及电力收集联合装置的机械结构部分由永磁铁和电磁线圈组成，所述永磁铁固接在橡胶活塞的小头上，当机器人滚动时，永磁铁随之运动，在电磁线圈周围形成交变磁场，从而由于电磁感应在电磁线圈中产生交变的电流；所述电磁线圈包括一个线圈架和两个缠绕铜线线圈，线圈架固接在平衡支架的弯曲梁上中心位置，整个装置共有四对相同的电磁线圈，相互间隔90°布置；当需要实现转向功能时，只需要控制位于某侧面位置的电磁线圈通电，吸引橡胶活塞上的永磁铁打开相对位置的磁控空气阀，使腔内空气由风口朝外喷射，喷射的反作用力使球形机器人向相反的一侧转动实现转弯。

所述内部姿势保持机构包括平衡支架、质量块和万向滚珠；所述平衡支架为了与内球壳的内表面实现球面约束，其外部轮廓为球形，直径小于内球壳的内径；平衡支架结构分为底部的承载区、加固环以及四周按90°均匀分布的四根弯曲梁，其中承载区用于固定安装电源、控制模块以及检测模块，四根弯曲梁用于安装固定电磁线圈，使其处于整个装置的赤道平面上；所述质量块由电源模块充当，固接在平衡支架的底部承载区，其作用是降低姿势保持机构的重心；所述万向滚珠固接在平衡支架的方形孔洞内，万向滚珠的数量共有八枚，其中四枚安装在底部承载区附近，间隔90°均匀分布；另外四枚安装在四根弯曲梁的顶端位置，间隔90°均匀分布；万向滚珠的滚动圆珠穿过平衡支架的孔洞与内球壳的内壁面产生点接触，八枚万向滚珠共同作用将平衡支架与内球壳隔离开来；将内球壳与内部姿势保持机构之间的摩擦由滑动摩擦转变成滚动摩擦，从而大幅降低姿势保持机构的摩擦力影响。整个姿势保持机构的作用在于使安装在内壳体中的控制及检测模块保持竖直的姿势不变，能够不受内壳体滚动的影响而发生翻滚。

本发明在原有的风驱动球形机器人的基础上进行了独特创新的改进，提高了风驱动球形机器人的性能。其优势以及创新点在于：

(1)本设计方案属于风能驱动的方向可控的球形机器人，其结构和功能主要针对南极特殊地理环境而设计，主要的应用在于南极科考时的数据采集。其主要驱动依靠风能，可以节省大量的能量，只有在转弯过程中才会消耗微弱的能量，再加上自身的能量收集装置，可以最大程度上提高续航能力。

(2)机器人采用了非常独特的转向原理以及转向装置，转向原理是利用球体在风力场中表面压力分布不均匀实现转向功能，依靠磁控单向阀实现可控的侧面喷气方式进行转向。转向动力的实质是风能的运用，可以降低用于转向的电能损耗。

(3)电能收集装置是对磁控单向阀同一装置机构的逆向运用。在用于转向功能时，它是磁控单向阀，机器人给电磁铁通电产生吸引磁场；在用于收集电能时，它是电能收集装置，将球形机器人转动的机械能转化为电能收集起来。在实现电能收集功能的同时无需设计专门的装置从而减轻了机器人的重量，简化了结构。

(4)整体设计结构简单，功能紧凑，重量轻便，不需要复杂的内部传动机构，内部有大量空余空间可用于检测仪器的搭载。

附图说明

图1为本发明提供的球形机器人的主视结构示意图。

图2为本发明提供的球形机器人的双层球壳示意图。

图3为本发明提供的内部姿势保持机构的结构示意图。

图4为本发明提供的磁控空气阀结构示意图。

图5为本发明提供的球形机器人的最终外观示意图。

具体实施方式

本发明的优选实施例结合附图说明如下：

如图1，图2，图5所示，一种风驱动磁控空气阀转向球形机器人，包括外球壳1、内球壳4、转向及电能收集装置；所述内球壳4为密封硬质球壳，由两个半球壳拼接固定而成，能承受一定的外力而不产生大的变形，支撑起整个球体形状并将内部控制模块以及检测模块与外部低温环境隔绝开来，保证电子电路系统正常工作；所述外球壳1为具有一定柔性的有孔球壳，由两个半球壳拼接固定而成，在两个半球壳上均匀分布有25个进气口，整个外球壳1上有50个进气口；所述转向及电能收集装置包括磁控空气阀、磁控及电力收集联合装置和内部姿势保持机构；外球壳1、内球壳4和磁控空气阀的相互配合在两层球壳之间形成一个密闭的空腔，在风压的作用下形成腔内高压。

如图4所示，所述磁控空气阀包括风口2、空气阀壳3、橡胶活塞9、弹簧10；所述风口2有宽口和窄口，其中宽口在外球壳1内表面与进气口对准固接，窄口上有外螺纹结构；所述空气阀壳3有大直径端和小直径端，其中在大直径端外端车有一小段内螺纹，旋紧连接在风口2的窄口外螺纹上；所述弹簧10为压弹簧，弹簧10直径小于空气阀壳3大直径端内径，大于小直径端内径，放置在空气阀壳3大直径端内，能够轴向移动；弹簧10的弹性系数保证磁控空气阀在球壳高压区打开，在低压区关闭；所述橡胶活塞9有大头和小头，中间以活塞杆连接，橡胶活塞9插入空气阀壳3内，小头和连杆穿过弹簧10，大头压在弹簧10上，整个活塞能够在轴向移动。

磁控空气阀有磁控和非磁控两种工作状态。在非磁控状态下，磁控空气阀实现普通单向阀的功能。当橡胶活塞9左右两端的气压相等时，橡胶活塞9在弹簧10的作用下被顶向空气阀壳3的大直径端，橡胶活塞9将风口2堵住；当橡胶活塞9左端气压大于右端气压并可以克服弹簧10压力时，橡胶活塞9被向右推开，打开风口2，空气可以进入腔内；当橡胶活塞9左端气压小于右端气压时，橡胶活塞9在弹簧10以及空气压力的共同作用下被推向左边关闭进气口，腔内空气无法排出。这一特性使磁控空气阀只在迎风面的高气压区才会自主打开，使球腔内气压逐渐升高，形成相对于球体侧面的正气压差。

在磁控状态下，磁控空气阀获得反向打开的能力。这时给电磁线圈6通适当方向的电流，使电磁线圈6与永磁铁11产生相互吸引的力，就可以克服弹簧10及气压压力使单向阀反向打开，当需要实现转向功能时，只需要控制位于某侧面位置的电磁线圈6通电吸引活塞上的永磁铁11就可以打开相对位置的磁控空气阀，使腔内空气由阀口朝外喷射，喷射的反作用力使球形机器人向相反的一侧转动实现转弯。腔内高压由迎风面磁控空气阀打开自动维持和回复，可实现持续自主方向调整。

所述磁控及电力收集联合装置的机械结构部分由永磁铁11和电磁线圈6组成，所述永磁铁11固接在橡胶活塞9的小头上，当机器人滚动时，永磁铁11随之运动，在电磁线圈6周围形成交变磁场，从而由于电磁感应在电磁线圈6中产生交变的电流；所述电磁线圈6包括一个线圈架和两个缠绕铜线线圈，线圈架固接在平衡支架5的弯曲梁上中心位置，整个装置共有四对相同的电磁线圈6，相互间隔90°布置；当需要实现转向功能时，只需要控制位于某侧面位置的电磁线圈6通电，吸引橡胶活塞9上的永磁铁11打开相对位置的磁控空气阀，使腔内空气由风口2朝外喷射，喷射的反作用力使球形机器人向相反的一侧转动实现转弯。

如图3所示，所述内部姿势保持机构包括平衡支架5、质量块7和万向滚珠8；所述平衡支架5为了与内球壳4的内表面实现球面约束，其外部轮廓为球形，直径小于内球壳4的内径；平衡支架5结构分为底部的承载区、加固环以及四周按90°均匀分布的四根弯曲梁，其中承载区用于固定安装电源、控制模块以及检测模块，四根弯曲梁用于安装固定电磁线圈6，使其处于整个装置的赤道平面上；所述质量块7由电源模块充当，固接在平衡支架5的底部承载区，其作用是降低姿势保持机构的重心；所述万向滚珠8固接在平衡支架5的方形孔洞内，万向滚珠8的数量共有八枚，其中四枚安装在底部承载区附近，间隔90°均匀分布；另外四枚安装在四根弯曲梁的顶端位置，间隔90°均匀分布；万向滚珠8的滚动圆珠穿过平衡支架5的孔洞与内球壳4的内壁面产生点接触，八枚万向滚珠8共同作用将平衡支架5与内球壳隔离开来；将内球壳4与内部姿势保持机构之间的摩擦由滑动摩擦转变成滚动摩擦，从而大幅降低姿势保持机构的摩擦力影响。