一種均衡發(fā)電球形機(jī)器人的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種具有全方位的均衡發(fā)電球形機(jī)器人，是一種可以運(yùn)用于極地科考探測(cè)的球形機(jī)器人。屬于移動(dòng)機(jī)器人開發(fā)的領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002]南極被人們稱為第七大陸，是地球上最后一個(gè)被發(fā)現(xiàn)、唯一沒有土著人居住的大陸。但是在這天寒地凍之下，卻有著極其重要的考察意義。南極地區(qū)的礦產(chǎn)資源極為豐富，蘊(yùn)藏的礦物有220余種。面對(duì)如此豐富的資源，人類必然需要進(jìn)行勘探，研究，以便將來對(duì)它們的使用。但是，南極地區(qū)的生態(tài)環(huán)境又極其惡劣，研究人員直接對(duì)未知領(lǐng)域地區(qū)進(jìn)行科考有非常大的危險(xiǎn)。因此，研究人員提出了機(jī)器人代替人類對(duì)南極未知領(lǐng)域的勘探，目前在南極實(shí)現(xiàn)科考、勘探任務(wù)的機(jī)器人有多種如履帶式、輪式和球形機(jī)器人等。由于南極的持續(xù)強(qiáng)風(fēng)的特點(diǎn)，球形機(jī)器人因其獨(dú)特的球體結(jié)構(gòu)外形，在運(yùn)動(dòng)過程中不存在傾倒問題，當(dāng)與障礙物或其他運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)發(fā)生碰撞時(shí)，具有較強(qiáng)的自我恢復(fù)能力，而且所有零部件都封裝在球殼內(nèi)，因此其內(nèi)部部件可以得到球殼的保護(hù)，同時(shí)球形結(jié)構(gòu)使得機(jī)器人內(nèi)部布置緊湊，節(jié)省空間。在南極科考發(fā)揮了重大作用。
[0003]目前的關(guān)于球形機(jī)器人的能源獲得方式與續(xù)航能力一直是困擾研究人員的主要問題，目前球形機(jī)器人的能源獲得方式主要可分為兩類，第一類是攜帶蓄電池提供，其特點(diǎn)是可以提供給對(duì)電能高消耗的主動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)工作，適用于具有主動(dòng)驅(qū)動(dòng)式的球形機(jī)器人，但蓄電池電能一旦消耗完，就必須進(jìn)行人工更換后才能繼續(xù)工作，這就大大限制了球形機(jī)器人的工作科考范圍。
[0004]另一類能源獲得方式是再生能源，主要是利用環(huán)境能量轉(zhuǎn)化成可利用的電能，目前主要有風(fēng)力和太陽能兩種，利用太陽能需安裝太陽能板或是太陽能薄膜，但基于球形機(jī)器人的特殊結(jié)構(gòu)，安裝困難且能源利用率低，實(shí)用價(jià)值并不大。而風(fēng)力是利用球形機(jī)器人在風(fēng)驅(qū)動(dòng)下滾動(dòng)過程中動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，實(shí)現(xiàn)能源的再生。
[0005]1999年起至今，美國(guó)航空航天局NASA都在致力于研究適用于火星探測(cè)的球形機(jī)器人Tumbleweed，它采用存風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，這是一種大型的，靠風(fēng)力吹動(dòng)的充氣式球體，內(nèi)置蓄電池供能但摒棄了主動(dòng)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，同時(shí)在球體內(nèi)部攜帶有各種檢測(cè)儀器等載荷。由于整個(gè)球體是充氣式的，運(yùn)輸時(shí)可以放氣，將體積減小到極小的程度，非常便于攜帶。整個(gè)機(jī)器人結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單輕便，為研究工作者在大面積區(qū)域內(nèi)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集工作提供了有效而簡(jiǎn)便的方法。在格陵蘭島，風(fēng)滾草巡游者完成了獨(dú)自穿越130多公里長(zhǎng)的冰原的探測(cè)工作。全程由內(nèi)置蓄電池為傳感器供能，通過衛(wèi)星網(wǎng)絡(luò)傳回了沿途的溫度和壓力的可靠數(shù)據(jù)。
[0006]2010年加拿大多倫多大學(xué)提出了一種單擺式電能采集球形機(jī)器人，它在強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下利用隨風(fēng)自由滾動(dòng)，同時(shí)帶動(dòng)固定在球殼的主軸隨球轉(zhuǎn)動(dòng)，主軸轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)發(fā)電機(jī)齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)，將動(dòng)能轉(zhuǎn)換成電能儲(chǔ)存在蓄電池中。同時(shí)在低風(fēng)環(huán)境下，可以利用蓄電池電能驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過移動(dòng)單擺重物來改變重心實(shí)現(xiàn)主動(dòng)控制驅(qū)動(dòng)。
[0007]為實(shí)現(xiàn)大范圍、長(zhǎng)時(shí)間對(duì)未知地區(qū)科考，能源再生問題亟待解決，提出一種適合球形機(jī)器人特殊結(jié)構(gòu)，同時(shí)契合南極惡劣環(huán)境的能源采集和有效利用是未來研究的方向。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于解決現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，提供一種在極地強(qiáng)風(fēng)環(huán)境下實(shí)現(xiàn)全方位的運(yùn)動(dòng)均衡發(fā)電球形機(jī)器人。該機(jī)器人可進(jìn)行全方向風(fēng)力驅(qū)動(dòng)，利用球形機(jī)器人滾動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化電能同時(shí)在任意風(fēng)向作用下都能具有發(fā)電能力，保證電能再生的持續(xù)性與穩(wěn)定性。
[0009]為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的構(gòu)思是:本發(fā)明采用球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，以利用南極的強(qiáng)風(fēng)環(huán)境，采用外界風(fēng)力為唯一驅(qū)動(dòng)力的被動(dòng)驅(qū)動(dòng)，同時(shí)采用球體內(nèi)部布置空間高度對(duì)稱的發(fā)電管道和儲(chǔ)電電路系統(tǒng)，在球體在風(fēng)力作用下滾動(dòng)過程中，將動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能，再經(jīng)由A/D轉(zhuǎn)換、穩(wěn)壓電路系統(tǒng)儲(chǔ)存到蓄電池或直接供應(yīng)的傳感器等設(shè)備中。
[0010]所采用的發(fā)電管道為仿自然界的蒲公英形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)和布置，分為每根發(fā)電管道由主管道和末梢的三個(gè)支路管道組成，主管道利用強(qiáng)風(fēng)驅(qū)動(dòng)下球體滾動(dòng)的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成電能發(fā)電，末梢支路管道在球體無法滾動(dòng)的情況下利用微振動(dòng)進(jìn)行發(fā)電，兩者相互配合完成極地長(zhǎng)時(shí)間、大范圍的科考工作；
采用的仿蒲公英狀空間布局為高度對(duì)稱結(jié)構(gòu)，在面對(duì)任意風(fēng)向情況下，整個(gè)發(fā)電系統(tǒng)都能夠持續(xù)、穩(wěn)定的發(fā)電，達(dá)到均衡發(fā)電的目的。
[0011 ]根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案:
一種全向均衡發(fā)電球形機(jī)器人，包括:一個(gè)球形機(jī)器人結(jié)構(gòu)，主控制系統(tǒng)、發(fā)電管道、高性能蓄電池、任務(wù)傳感器、依星定位通訊系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)。其特征在于所述球形機(jī)器人內(nèi)部安裝仿蒲公英布置發(fā)電管道，固定主控制系統(tǒng)、高性能蓄電池、任務(wù)傳感器、依星定位通訊系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)。所述發(fā)電管道與A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)相連，完成將發(fā)電管道產(chǎn)生的交流電轉(zhuǎn)換成直流和穩(wěn)壓作用。所述A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)與主控置系統(tǒng)相連，完成對(duì)電能的管理。所述高性能蓄電池與主控制系統(tǒng)相連，完成系統(tǒng)供電和發(fā)電管理工作。所述主控制系統(tǒng)與任務(wù)傳感系統(tǒng)相連，監(jiān)控環(huán)境信息和定位信息等。主控制系統(tǒng)與依星通訊系統(tǒng)相連，完成通訊和信息傳遞。所述主控制系統(tǒng)用于風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)的電能管理和傳感器控制和通訊管理。
[0012]上述球形機(jī)器人采用雙層球體結(jié)構(gòu)，內(nèi)外層球形殼體形成兩個(gè)空腔。內(nèi)層球體采用碳纖維材料類似蒲公英的球莖形態(tài)，同時(shí)外壁有若干可供安裝發(fā)電管道;外層球形殼體采用可充氣的尼龍材料包裹住所有發(fā)電管道，隔絕外界環(huán)境。內(nèi)層球形殼體采用對(duì)稱球體結(jié)構(gòu)起支架和本體外蓋保護(hù)等功能，內(nèi)部安裝和固定各種系統(tǒng)，該機(jī)構(gòu)包括安裝輔助板，螺釘，主控制系統(tǒng)、高性能蓄電池、任務(wù)傳感器、依星定位通訊系統(tǒng)和A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)；所述上半球殼和所述下半球殼相連，并通過螺釘固定;所述安裝輔助板安裝在內(nèi)層球形殼體內(nèi)部，并通過螺釘固定;所述主控制系統(tǒng)、依星定位通訊系統(tǒng)高性能蓄電池和A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)安裝在上述輔助板上;所述外層球形殼體與內(nèi)層球形殼體之間形成空腔用于布置發(fā)電管道;所述外層球體與上述發(fā)電管道相連，包裹整個(gè)球體，并留有充放氣口；
上述發(fā)電管道包含碳纖維圓柱型空心主管道、末梢分支管道、永磁塊、銅線圈和彈簧。所述銅線圈分為三部分緊密纏繞在主管道外壁的兩端和中間部分，各末梢分支管道外壁的中間也緊密纏繞銅線圈；所述主管道與上述內(nèi)層球殼螺紋連接固定;所述末梢分支管道由三支分叉空心細(xì)管道成三腳架型焊接在一起，結(jié)合部分為圓柱型內(nèi)設(shè)螺紋與管道螺紋連接固定;所述永磁塊分別置于主管道內(nèi)可沿管道方向往復(fù)滑動(dòng);所述彈簧為上述三支分叉空心細(xì)管道長(zhǎng)度一半一端安裝在三支分叉空心細(xì)管道末端，上述彈簧另一端與上述永磁塊勾連在一起，可在管道方向產(chǎn)生小幅振動(dòng)。
[0013]上述主控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是一個(gè)微處理器經(jīng)電路分別連接連接A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)電路、連接電源狀態(tài)檢測(cè)電路、復(fù)位電路和接口轉(zhuǎn)換電路。所述接口轉(zhuǎn)換電路連接任務(wù)傳感系統(tǒng)和依星通訊系統(tǒng);所述主控制系統(tǒng)用于風(fēng)力驅(qū)動(dòng)下系統(tǒng)的電能管理和傳感器控制和通訊管理。
[0014]上述A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)為全橋整流、濾波電路，用于將發(fā)電管道產(chǎn)生的交變電轉(zhuǎn)換成可供儲(chǔ)存和使用的穩(wěn)壓直流電。
[0015]上述任務(wù)傳感系統(tǒng)包含全球定位系統(tǒng)和溫濕度傳感器等，用于獲得當(dāng)前環(huán)境的溫度濕度信息和全球衛(wèi)星定位信息等。
[0016]上述依星通訊系統(tǒng)，用于實(shí)現(xiàn)信息數(shù)據(jù)的遠(yuǎn)程監(jiān)控和遠(yuǎn)程數(shù)據(jù)通訊，并可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人遠(yuǎn)程收集環(huán)境信息和定位信息。
[0017]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比較，具有如下顯而易見的突出實(shí)質(zhì)性特點(diǎn)和顯著技術(shù)進(jìn)步:
(I)設(shè)計(jì)方案屬于風(fēng)能驅(qū)動(dòng)的球形機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)和功能主要針對(duì)南極特殊強(qiáng)風(fēng)環(huán)境而設(shè)計(jì)，主要的應(yīng)用在于南極科考時(shí)的數(shù)據(jù)采集。其主要驅(qū)動(dòng)依靠風(fēng)能，可以節(jié)省大量的能量，再加上自身的能量收集裝置，可以最大程度上提高續(xù)航能力。
[0018](2)本發(fā)明充分利用了外界風(fēng)力資源，利用風(fēng)驅(qū)動(dòng)下的球形機(jī)器人的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為電能發(fā)電，同時(shí)提出了適用于球形機(jī)器人球體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的管道式發(fā)電裝置，特別是管道的布局方式的高度空間對(duì)稱性保證了全方向運(yùn)動(dòng)時(shí)的均衡發(fā)電，
(3)放射狀“蒲公英”型管道結(jié)構(gòu)的末梢分支管道包含了微振動(dòng)發(fā)電能力，在球形機(jī)器人被困在某處不能運(yùn)動(dòng)時(shí)，可以依靠末梢管道的微振動(dòng)采集電能，實(shí)現(xiàn)了能源利用的最大化，滿足了在極地不同工作狀態(tài)下的能源供給需要。
[0019](4)設(shè)計(jì)了針對(duì)多管道同時(shí)發(fā)電的A/D轉(zhuǎn)換以及穩(wěn)壓系統(tǒng)