CN106230090B - 一种均衡发电球形机器人 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种均衡发电球形机器人，包括外层球壳，内层球壳，空心发电管道，铜线圈，永磁块，弹簧，固定件和连接管道，所述外层球壳包裹在内层球壳外面，两个固定件呈中心对称的固定在内层球壳的内壁上，两个固定件之间通过连接管道连接；所述固定件上设有若干螺孔，所述空心发电管道的一端通过螺孔固定在固定件上，空心发电管道的另一端与内层球壳的内壁固定；所述铜线圈分为两部分紧密缠绕在空心发电管道外壁的两端，所述永磁块置于空心发电管道内，能够沿管道方向做往复运动，所述弹簧一端安装在空心发电管道末端，另一端与永磁块固连在一起。本发明可实现在任意风向下的均衡发电，能源利用率高，适用于极地强风环境下的勘探应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种均衡发电球形机器人，用于极地地区大范围、长时间的科考探测，属于移动机器人技术领域。
背景技术
南极是人类最后一块没有开发的大陆，其上蕴藏着地球80%的淡水资源、最大的铁矿与煤矿以及大量的其他矿产资源，而且极地冰雪覆盖区作为地球***的最大冷源，其环境要素的变化对全球气候变化起着关键作用，极地科考不论对资源的开发还是对环境的研究都具有重大的意义，值得人类去勘探。但由于其远离其他大陆、自然条件极其恶劣，对于南极的观测和样品采集十分困难。因此，研究人员提出了“机器代人”的研究策略。目前在南极进行科考任务的主要由移动机器人和球形机器人等，移动机器人主要是履带式和轮式。南极不仅是世界最冷的地方，也是世界上风力最大的地区。那里平均每年8级以上的大风有300天，年平均风速19.4米/秒。所以移动式机器人在南极就存在倾倒、碰撞而无法恢复的问题，而球形机器人则凭借球形外壳可全方位移动，不存在倾倒，在受到撞击时有较强的自我恢复能力，将零部件封装在内部不易损坏等优点在南极科考中发挥重大作用。
目前极地科考球形机器人的主要问题就是如何大范围、长时间的进行极地勘探，所以采用哪种能源和续航能力就是主要问题。目前球形机器人的能源主要有两种：传统能源和可再生能源。传统能源多是汽油柴油，通过发动机直接驱动机构或由发动机充当发电机为电池组充电，进而采用电动机驱动，这种方式适用于主动式球形机器人，但续航时间短，消耗完必须更换才能继续作业，大大限制了科考范围且会对南极环境和采集样品带来污染。
可再生能源则是多采用太阳能和风能转化为电能对球形机器人进行供能。由于南极地区日照时间不长，且需要安装太阳能板或薄膜，所以采用太阳能作为驱动能源不太实用。而风能作为驱动能源则是适应于南极地区的多风环境，可充分利用，实现能源再生和长时间续航。
1999年至今，美国NASA一直致力于研究适用于火星探测的球形机器人Tumbleweed，它是一种采用风力驱动的充气式球形机器人。内部采用蓄电池供能且携带有各种检测仪器。在格陵兰岛，风滚草巡游者完成了130多公里的冰原探测工作，由内置蓄电池为传感器供能，通过卫星网络传回检测数据。
2014年美国加州理工学院提出了一种能量采集球形机器人Moball，它的内部是三个正交固定的刚性管，管内放有圆柱形磁块，管外固定有线圈。它在风力驱动下运动，促使磁块在管子内做切割磁感线往复运动，从而将动能转换成电能储存在蓄电池中。
发明内容
本发明的目的在于解决现有技术存在的问题，提供一种均衡发电球形机器人，为实现大范围、长时间对未知地区的勘探，实现南极恶劣环境的能源采集和有效利用。该机器人采用被动风力驱动，利用球形机器人滚动产生的动能转化成电能对球形机器人内部的零部件进行充电续航，保证电能再生的持续性和均衡性。
为达到上述目的，本发明构思如下：
一种球形机器人自发电结构：外部采用球形结构，利用南极强风作为唯一驱动力进行被动驱动；内部布置空间对称的发电管道和储电电路***，在风力驱动下将动能转化为电能，再经整流滤波电路和双直流转换电路储存到蓄电池或直接供应传感器等设备中。发电管道为对称结构，有两个固定件由圆柱形管道连接，发电管道则与固定件通过螺纹连接。发电管道整体形状为内扣式，端部紧贴球形机器人内壁，内部由两个弹簧连接一个磁块，外部固定有线圈。管道长度适中，适合南极强风环境，利用风力驱动将球体滚动的动能转换成电能发电，完成大范围、长时间的科考工作。
根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：
一种均衡发电球形机器人，包括外层球壳，内层球壳，空心发电管道，铜线圈，永磁块，弹簧，固定件和连接管道，所述外层球壳包裹在内层球壳外面，两个固定件呈中心对称的固定在内层球壳的内壁上，两个固定件之间通过连接管道连接；所述固定件上设有若干螺孔，所述空心发电管道的一端通过螺孔固定在固定件上，空心发电管道的另一端与内层球壳的内壁固定；所述铜线圈分为两部分紧密缠绕在空心发电管道外壁的两端，所述永磁块置于空心发电管道内，能够沿管道方向做往复运动，所述弹簧一端安装在空心发电管道末端，另一端与永磁块固连在一起。
所述内层球壳采用碳纤维材料，所述外层球壳采用尼龙材料，能够充气，使得内层球壳隔绝外界环境。
所述连接管道内部安装有：安装辅助板、主控制***、高性能蓄电池、任务传感***、铱星通讯***和A/D转换和稳压***；所述主控制***的结构是一个微处理器经电路分别连接A/D转换和稳压***电路、连接电源状态检测电路、复位电路和接口转换电路，所述接口转换电路连接任务传感***和铱星通讯***，所述高性能蓄电池与主控制***连接，完成***供能和发电管理工作。
所述A/D转换和稳压***为全桥整流、滤波电路，用于将空心发电管道产生的交变电转换成能够存储和使用的稳压直流电；所述任务传感***包含全球定位***和温湿度传感器，用于获得当前环境的全球卫星定位信息和温度湿度信息；所述铱星通讯***用于实现信息数据的远程监控和远程数据通讯，并实现机器人远程收集环境信息和定位信息。
本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出性质性特点和显著技术进步：
本发明属于风能驱动的球形机器人，其结构和功能主要针对南极特殊强风环境而设计，主要应用在南极科考，进行数据采集。该球形机器人属于被动驱动，节省能量，再加上自发电装置，可以实现大范围、长时间的勘探任务。
本发明充分利用了外界风力资源，利用风驱动下的球形机器人的动能转化为电能发电，同时提出了适用于球形机器人结构特点的管道式发电装置，高度空间对称性的布局方式保证了球形机器人全方向运动时的均衡发电。
设计了针对多管道同时发电的A/D转换以及稳压***，对多个发电管道直接产生的交变电进行了整流、滤波和稳压，实现了电能的可利用性。
整体结构简单、紧凑，重量轻便，没有复杂的内部传动机构，安装方便。
附图说明
图1是本发明的整体立体结构剖视图。
图2是本发明内部发电管道结构图。
图3（a，b）是本发明单个固定件的结构图。
图4是本发明中发电***的结构框图。
具体实施方式
本发明的优选实施例结合附图说明如下：
参见图1-图3，一种均衡发电球形机器人，包括外层球壳1，内层球壳2，空心发电管道3，铜线圈4，永磁块5，弹簧6，固定件7和连接管道8，所述外层球壳1包裹在内层球壳2外面，两个固定件7呈中心对称的固定在内层球壳2的内壁上，两个固定件7之间通过连接管道8连接；所述固定件7上设有若干螺孔，所述空心发电管道3的一端通过螺孔固定在固定件7上，空心发电管道3的另一端与内层球壳2的内壁固定；所述铜线圈4分为两部分4A，4B紧密缠绕在空心发电管道3外壁的两端，所述永磁块5置于空心发电管道3内，能够沿管道方向做往复运动，所述弹簧6一端安装在空心发电管道3末端，另一端与永磁块5固连在一起。
所述内层球壳2采用碳纤维材料，所述外层球壳1采用尼龙材料，能够充气，使得内层球壳2隔绝外界环境。
如图4所示，所述连接管道8内部安装有：安装辅助板、主控制***103、高性能蓄电池105、任务传感***104、铱星通讯***106和A/D转换和稳压***102；所述主控制***103的结构是一个微处理器经电路分别连接A/D转换和稳压***102电路、连接电源状态检测电路、复位电路和接口转换电路，所述接口转换电路连接任务传感***104和铱星通讯***106，所述高性能蓄电池105与主控制***103连接，完成***供能和发电管理工作。
所述A/D转换和稳压***102为全桥整流、滤波电路，与8根发电管道3相连，对每个发电管道采用的是独立整流的并联电路，每个独立整流电路有4个二极管组成并于其他发电电路并联连接到电路，各支路相互独立，可完成针对多管道同时发电的交变电的整流、滤波和稳压工作，用于将空心发电管道3产生的交变电转换成能够存储和使用的稳压直流电；所述任务传感***104包含全球定位***和温湿度传感器，用于获得当前环境的全球卫星定位信息和温度湿度信息；所述铱星通讯***106用于实现信息数据的远程监控和远程数据通讯，并实现机器人远程收集环境信息和定位信息。
该球形机器人发电与收集情况如下：
球形机器人在风力驱动下被动滚动，内层球壳2内部布置空间对称的空心发电管道3，其内置永磁体5在空心发电管道3内做往复运动，在这个过程中会不断切割缠绕在空心发电管道3外的铜线圈4，根据法拉第电磁感应定律，在这个过程中会产生感应电流，根据管道的优化空间布局，对任意风向驱动时都将会有至少3根空心发电管道3产生电能，经由空心发电管道3产生的交变电会通过A/D转换和稳压***102转换成稳压直流电存储到高性能蓄电池105中。
Claims (4)
1.一种均衡发电球形机器人，其特征在于：包括外层球壳(1)，内层球壳(2)，空心发电管道(3)，铜线圈(4)，永磁块(5)，弹簧(6)，固定件(7)和连接管道(8)，所述外层球壳(1)包裹在内层球壳(2)外面，两个固定件(7)呈中心对称的固定在内层球壳(2)的内壁上，两个固定件(7)之间通过连接管道(8)连接；所述固定件(7)上设有若干螺孔，所述空心发电管道(3)的一端通过螺孔固定在固定件(7)上，空心发电管道(3)的另一端与内层球壳(2)的内壁固定；所述铜线圈(4)分为两部分(4A，4B)紧密缠绕在空心发电管道(3)外壁的两端，所述永磁块(5)置于空心发电管道(3)内，能够沿管道方向做往复运动，所述弹簧(6)一端安装在空心发电管道(3)末端，另一端与永磁块(5)固连在一起；均衡发电球形机器人使内部布置空间对称的空心发电管道(3)和储电电路***，空心发电管道(3)为对称结构，空心发电管道(3)整体形状为内扣式；
所述均衡发电球形机器人发电与收集方法如下：
球形机器人在风力驱动下被动滚动，内层球壳(2)内部布置空间对称的空心发电管道(3)，其内置永磁体(5)在空心发电管道(3)内做往复运动，在这个过程中会不断切割缠绕在空心发电管道(3)外的铜线圈(4)，在这个过程中会产生感应电流，根据管道的优化空间布局，对任意风向驱动时都将会有至少3根空心发电管道(3)产生电能，经由空心发电管道(3)产生的交变电通过A/D转换和稳压***(102)转换成稳压直流电存储到高性能蓄电池(105)中。
2.根据权利要求1所述的均衡发电球形机器人，其特征在于：所述内层球壳(2)采用碳纤维材料，所述外层球壳(1)采用尼龙材料，能够充气，使得内层球壳(2)隔绝外界环境。
3.根据权利要求1所述的均衡发电球形机器人，其特征在于：所述连接管道(8)内部安装有：安装辅助板、主控制***(103)、高性能蓄电池(105)、任务传感***(104)、铱星通讯***(106)和A/D转换和稳压***(102)；所述主控制***(103)的结构是一个微处理器经电路分别连接A/D转换和稳压***(102)电路、连接电源状态检测电路、复位电路和接口转换电路，所述接口转换电路连接任务传感***(104)和铱星通讯***(106)，所述高性能蓄电池(105)与主控制***(103)连接，完成***供能和发电管理工作。
4.根据权利要求3所述的均衡发电球形机器人，其特征在于：所述A/D转换和稳压***(102)为全桥整流、滤波电路，用于将空心发电管道(3)产生的交变电转换成能够存储和使用的稳压直流电；所述任务传感***(104)包含全球定位***和温湿度传感器，用于获得当前环境的全球卫星定位信息和温度湿度信息；所述铱星通讯***(106)用于实现信息数据的远程监控和远程数据通讯，并实现机器人远程收集环境信息和定位信息。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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| CF01 | Termination of patent right due to non-payment of annual fee | ||
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Granted publication date: 20190806 |