球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的制作方法
【專(zhuān)利摘要】本實(shí)用新型公開(kāi)了一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，屬于地面移動(dòng)機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】。它包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的球形薄膜，位于球形薄膜內(nèi)處于1/3至1/2高度的油液，懸浮于油液中的懸浮機(jī)構(gòu)；上述懸浮機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有電源，懸浮機(jī)構(gòu)外圈沿圓周方向均勻貼有n片電極板；上述球形薄膜的內(nèi)表面噴涂有導(dǎo)電薄層，導(dǎo)電薄層內(nèi)表面按足球外表面的拼接方式粘貼正五邊形和正六邊形的壓電薄膜，導(dǎo)電薄層與電源負(fù)極連接；球形薄膜由于內(nèi)部油液和懸浮機(jī)構(gòu)重力作用，底部變形。本實(shí)用新型利用在電極板與其對(duì)應(yīng)的球形薄膜區(qū)域之間形成的局部電場(chǎng)，使設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域的壓電薄膜在該電場(chǎng)的作用下產(chǎn)生彎曲作動(dòng)效果，從而驅(qū)動(dòng)球形薄膜變形并滾動(dòng)。
【專(zhuān)利說(shuō)明】球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實(shí)用新型涉及地面移動(dòng)機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)。

【背景技術(shù)】
[0002] 地面移動(dòng)機(jī)器人是一種新型機(jī)器人，在軍事偵察、災(zāi)害救援等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng) 用。傳統(tǒng)的地面移動(dòng)機(jī)器人設(shè)置有框架等車(chē)體結(jié)構(gòu)，基本驅(qū)動(dòng)方式采用輪式、履帶式或輪履 復(fù)合式。隨著現(xiàn)代驅(qū)動(dòng)技術(shù)的飛速發(fā)展，可以從機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)及驅(qū)動(dòng)方式上尋求突破， 保證地面移動(dòng)機(jī)器人具有良好運(yùn)動(dòng)性能的前提下，降低地面移動(dòng)機(jī)器人的重量，提高地面 移動(dòng)機(jī)器人的越障能力。 實(shí)用新型內(nèi)容
[0003] 本實(shí)用新型旨在研發(fā)一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、無(wú)噪音、小型化、越障能 力高、安全性高、機(jī)動(dòng)性能強(qiáng)以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0004] 本實(shí)用新型為解決上述技術(shù)問(wèn)題，采用以下技術(shù)方案：
[0005] 本實(shí)用新型公開(kāi)了一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動(dòng)方式，包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的球形薄 膜，還包括位于球形薄膜內(nèi)處于1/3至1/2高度的油液，還包括懸浮于油液中的懸浮機(jī)構(gòu)； 上述懸浮機(jī)構(gòu)內(nèi)安裝有電源，懸浮機(jī)構(gòu)外圈沿圓周方向均勻貼有η片電極板，每片電極板 橫跨圓周2 π /η的弧度，并分別與電源正極的η個(gè)驅(qū)動(dòng)端口連接，相鄰電極板間設(shè)置有絕緣 層，η為大于等于4小于等于16的自然數(shù)；上述球形薄膜的內(nèi)表面噴涂有導(dǎo)電薄層，導(dǎo)電薄 層內(nèi)表面按足球外表面的拼接方式粘貼正五邊形和正六邊形的壓電薄膜，且相鄰的兩片壓 電薄膜之間具有防止彎曲變形相互影響的安全間隙，導(dǎo)電薄層與電源負(fù)極連接；球形薄膜 由于內(nèi)部油液和懸浮機(jī)構(gòu)的重力作用，底部變形；所述的電極板正好靠近球形薄膜底部變 形后曲率最大處。
[0006] 所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方式，其特征在于：所述的電極板、球形薄膜內(nèi)表面上 的導(dǎo)電薄層以及油液三部分在靠近底部區(qū)域構(gòu)成一個(gè)電容，電源正極的驅(qū)動(dòng)端口對(duì)左側(cè)第 m (1 < m < η)片電極板供電時(shí)，在球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu)成一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)；利用壓 電薄膜在電場(chǎng)作用下產(chǎn)生彎曲作動(dòng)的特點(diǎn)，使處在該電場(chǎng)中的壓電薄膜產(chǎn)生彎曲變形，從 而迫使左下角區(qū)域的球形薄膜產(chǎn)生彎曲變形，具體為向右上方彎曲，變形后的球形薄膜推 動(dòng)在其內(nèi)部的油液，油液在推力的作用下向右平移，油液作用于球形薄膜的右側(cè)，同時(shí)使球 形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個(gè)球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向右滾動(dòng) 一小段距離；由于位于電場(chǎng)區(qū)域的壓電薄膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了 電場(chǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)球形薄膜被迫向右運(yùn)動(dòng)帶著該部分的壓電薄膜運(yùn)動(dòng)且離開(kāi)左下角處的局 部電場(chǎng)，因此下一區(qū)域的壓電薄膜將進(jìn)入該電場(chǎng)中，同時(shí)迫使下一區(qū)域的球形薄膜上的導(dǎo) 電薄層與電極板重新構(gòu)成新的電容，相應(yīng)區(qū)域的壓電薄膜產(chǎn)生彎曲作動(dòng)，再一次驅(qū)動(dòng)整個(gè) 球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾動(dòng)一小段距離，不斷重復(fù)上述過(guò)程，從而迫使球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷向右運(yùn)動(dòng)。
[0007] 利用壓電薄膜在電場(chǎng)作用下的彎曲作動(dòng)效應(yīng)，使與其粘貼在一起的球形薄膜彎曲 變形，并在與油液的相互作用下驅(qū)動(dòng)球形機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，使得球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)無(wú)需前后輪及其支 撐結(jié)構(gòu)，不需要電機(jī)、車(chē)體框架等結(jié)構(gòu)，有效的減輕了運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的重量，使其重量輕、機(jī)動(dòng)靈 活、負(fù)重更多、提高了地面移動(dòng)機(jī)器人的越障能力；同時(shí)壓電薄膜響應(yīng)快，能耗低，可以提高 球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的工作時(shí)間和使用壽命。
[0008] 所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于：上述電極板與球形薄膜底部變形后曲率最大 處的曲率相等，使得電極板各處與球形薄膜內(nèi)表面法向間距相等，保證每片電極板通電后 與球形薄膜內(nèi)表面的導(dǎo)電薄層構(gòu)成的電容內(nèi)部形成勻強(qiáng)電場(chǎng)。
[0009] 所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于：上述η為偶數(shù)，通過(guò)調(diào)整對(duì)電源正極不同驅(qū)動(dòng) 端口供電，使得球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以左右對(duì)稱(chēng)的調(diào)整運(yùn)動(dòng)方向，調(diào)整方向的精度為2 π/η。
[0010] 所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于：上述球形薄膜、導(dǎo)電薄層和壓電薄膜均為透明 材質(zhì)，使得可以在內(nèi)部懸浮裝置上安裝探測(cè)器。
[0011] 所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于：上述懸浮機(jī)構(gòu)由質(zhì)量輕的非金屬材料制成，夕卜 形設(shè)置為底部空間大，上端空間小的不倒翁形狀，使得懸浮裝置在油液中不易傾倒，保證內(nèi) 部驅(qū)動(dòng)裝置的正常工作。

【專(zhuān)利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0012] 圖1是球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0013] 圖2是壓電薄膜陣列粘貼示意圖；
[0014] 圖3是懸浮機(jī)構(gòu)及電極板結(jié)構(gòu)示意圖；
[0015] 圖4是電極板分區(qū)示意圖；
[0016] 圖5是電源及上、下配重塊的正視圖；
[0017] 圖6是電源及上、下配重塊的剖視圖；
[0018] 圖7內(nèi)部懸浮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
[0019] 圖8是球形薄膜內(nèi)注入油液置于地面變形后的剖視圖；
[0020] 圖9是球形薄膜運(yùn)動(dòng)原理圖；
[0021] 圖10是球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖；
[0022] 其中1-上配重塊，2-電源，3-下配重塊，4-電極板，5-懸浮機(jī)構(gòu)，6-油液，7-壓電 薄膜，8-導(dǎo)電薄層，9-球形薄膜，10-螺栓。

【具體實(shí)施方式】
[0023] 下面結(jié)合附圖對(duì)本實(shí)用新型的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明：
[0024] -種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，包括球形薄膜、導(dǎo)電薄層、壓電薄膜、油液、懸浮機(jī)構(gòu)、電源、 上配重塊、下配重塊、電極板和螺栓，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。上述球形薄膜的內(nèi)表面噴涂 有導(dǎo)電薄層，導(dǎo)電薄層內(nèi)表面按足球外表面的拼接方式粘貼正五邊形和正六邊形的壓電薄 膜，且相鄰的兩片壓電薄膜之間具有防止彎曲變形相互影響的安全間隙，導(dǎo)電薄層與電源 負(fù)極連接，其具體布置方式如圖2所示；上述球形薄膜內(nèi)注入1/3至1/2高度的油液，以保 證懸浮機(jī)構(gòu)靜止懸浮在油液中，并且使得電極板靠近球形薄膜變形后底部曲率最大處，使 得整個(gè)懸浮裝置位于球形薄膜球心處；所述的電源設(shè)置在上、下配重塊之間，并通過(guò)三組螺 栓固定，在電源上設(shè)置有功能裝置，包括控制器、傳感器、信號(hào)接收器和發(fā)射器；所述的懸浮 機(jī)構(gòu)由質(zhì)量輕的非金屬材料制成，外形設(shè)置為底部空間大，上端空間小的不倒翁形狀，底部 設(shè)置有三個(gè)通孔用于螺栓固定，在連接處設(shè)置有三個(gè)密封圈防止油液滲入到懸浮機(jī)構(gòu)內(nèi)， 外圈設(shè)置有電極板分區(qū)，如圖3所示；所述的電極板共η片，圓周陣列設(shè)置在懸浮機(jī)構(gòu)外圈， 其中每片電極板寬度為2 π /η弧長(zhǎng)，并且η片電極板分別與電源正極的η個(gè)驅(qū)動(dòng)端口連接， 相鄰電極板間設(shè)置有絕緣層，在電源電路的控制下，能夠?qū)崿F(xiàn)2 π /η角度的方向調(diào)整，電極 板在懸浮機(jī)構(gòu)外圈的具體分區(qū)方式如圖4所示；所述的電源及上、下配重塊通過(guò)三組螺栓 固定在懸浮機(jī)構(gòu)內(nèi)，并且下配重塊比上配重塊質(zhì)量大，使得整個(gè)懸浮裝置的重心靠近底部， 如圖5和圖6所示；所述的內(nèi)部懸浮裝置由懸浮機(jī)構(gòu)、電源、上配重塊、下配重塊、電極板和 螺栓組成，其中電源、上配重塊、下配重塊通過(guò)三組螺栓與懸浮機(jī)構(gòu)固定連接，如圖7所示； 所述的球形薄膜內(nèi)部注入1/3至1/2高度的油液，球形薄膜由于內(nèi)部油液和懸浮機(jī)構(gòu)的重 力作用，底部變形，如圖8所示；所述的電極板正好靠近球形薄膜底部變形后曲率最大處。
[0025] 當(dāng)球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)通過(guò)信號(hào)接收器接收到指揮部門(mén)的命令開(kāi)始工作時(shí)，所述的電極 板、球形薄膜內(nèi)表面上的導(dǎo)電薄層以及油液三部分在靠近底部區(qū)域構(gòu)成一個(gè)電容，電源正 極的驅(qū)動(dòng)端口對(duì)左側(cè)第m (1 <m<n)片電極板供電時(shí)，在球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu) 成一個(gè)勻強(qiáng)電場(chǎng)，且壓電薄膜處在勻強(qiáng)電場(chǎng)中；利用壓電薄膜在電場(chǎng)作用下的彎曲作動(dòng)效 應(yīng)，使處在該電場(chǎng)中的壓電薄膜產(chǎn)生彎曲變形，從而迫使左下角區(qū)域的球形薄膜產(chǎn)生彎曲 變形，具體為向右上方彎曲，變形后的球形薄膜推動(dòng)在其內(nèi)部的油液，油液在推力的作用下 向右平移，油液作用于球形薄膜的右側(cè)，同時(shí)使球形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的彎曲變形，具體為 向右下方彎曲，因此整個(gè)球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)向右滾動(dòng)一小段距離；由于位于電場(chǎng)區(qū)域的壓電薄 膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場(chǎng)的強(qiáng)度，同時(shí)球形薄膜被迫向右運(yùn)動(dòng) 帶著該部分的壓電薄膜運(yùn)動(dòng)且離開(kāi)左下角處的局部電場(chǎng)，因此下一區(qū)域的壓電薄膜將進(jìn)入 該電場(chǎng)中，同時(shí)迫使下一區(qū)域的球形薄膜上的導(dǎo)電薄層與左側(cè)第m (1 < η)片電極板 重新構(gòu)成新的電容，如圖9所示，相應(yīng)區(qū)域的壓電薄膜產(chǎn)生彎曲作動(dòng)，再一次驅(qū)動(dòng)整個(gè)球形 運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)滾動(dòng)一小段距離，不斷重復(fù)上述過(guò)程，從而迫使球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)不斷向右運(yùn)動(dòng)，其 具體運(yùn)動(dòng)過(guò)程如圖10所示；由于油液始終在球形薄膜內(nèi)處于水平狀態(tài)，球形薄膜內(nèi)部的懸 浮裝置比重小于內(nèi)部油液的比重，并且根據(jù)不倒翁不傾倒的原理懸浮裝置的重心設(shè)計(jì)為靠 近底部而不會(huì)發(fā)生傾倒，因此球形薄膜內(nèi)部的懸浮裝置靜止的懸浮在油液中，且始終處在 球形薄膜的球心位置處，隨著球形薄膜向右運(yùn)動(dòng)；球形薄膜運(yùn)動(dòng)不影響設(shè)置在其內(nèi)部驅(qū)動(dòng) 裝置的正常工作；根據(jù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的地面環(huán)境，通過(guò)傳感器以及控制器調(diào)整電源輸出電信 號(hào)以調(diào)控球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)速度；控制調(diào)整電源正極對(duì)不同驅(qū)動(dòng)端口的電極板供電以調(diào) 控球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)方向，由于電極板分為η片圓周陣列在懸浮機(jī)構(gòu)的外圈，所以可以 實(shí)現(xiàn)2 π/η的小角度的運(yùn)動(dòng)方向的改變，實(shí)現(xiàn)對(duì)球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的靈活控制，大大提高其躲 避障礙物的能力和越障能力。
【權(quán)利要求】
1. 一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的球形薄膜（9)，還包括位于球形薄膜（9)內(nèi)處于1/3至1/2高度的 油液（6)，還包括懸浮于油液（6)中的懸浮機(jī)構(gòu)（5); 上述懸浮機(jī)構(gòu)（5)內(nèi)安裝有電源（2)，懸浮機(jī)構(gòu)（5)外圈沿圓周方向均勻貼有η片電極 板（4)，每片電極板（4)橫跨圓周2 π/η的弧度，并分別與電源（2)正極的η個(gè)驅(qū)動(dòng)端口連 接，相鄰電極板（4)間設(shè)置有絕緣層，η為大于等于4小于等于16的自然數(shù)； 上述球形薄膜（9 )的內(nèi)表面噴涂有導(dǎo)電薄層（8 )，導(dǎo)電薄層（8 )內(nèi)表面按足球外表面的 拼接方式粘貼正五邊形和正六邊形的壓電薄膜（7)，且相鄰的兩片壓電薄膜（7)之間具有 防止彎曲變形相互影響的安全間隙，導(dǎo)電薄層（8)與電源（2)負(fù)極連接； 球形薄膜（9)由于內(nèi)部油液（6)和懸浮機(jī)構(gòu)（5)重力作用，底部變形；所述的電極板（4) 正好靠近球形薄膜（9 )底部變形后曲率最大處。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 上述電極板（4)與球形薄膜（9)底部變形后曲率最大處的曲率相等。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 上述η為偶數(shù)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 上述球形薄膜（9)、導(dǎo)電薄層（8)和壓電薄膜（7)均為透明材質(zhì)。
5. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，其特征在于： 上述懸浮機(jī)構(gòu)（5)由質(zhì)量輕的非金屬材料制成，外形設(shè)置為底部空間大，上端空間小的 不倒翁形狀。
【文檔編號(hào)】B62D57/02GK203888922SQ201420180913
【公開(kāi)日】2014年10月22日 申請(qǐng)日期:2014年4月15日 優(yōu)先權(quán)日:2014年4月15日
【發(fā)明者】舒承有, 黃翀, 王亮, 金家楣, 季瑞南 申請(qǐng)人:南京航空航天大學(xué)