本發(fā)明涉及一種優(yōu)選類甲烷結(jié)構(gòu)風(fēng)驅(qū)式電磁發(fā)電球形機(jī)器人，是一種可以運用于極地科考探測的球形機(jī)器人，屬于新型機(jī)器人開發(fā)的領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
：：南極是人類最后一塊沒有開發(fā)的大陸，其上蘊藏著地球80%的淡水資源、最大的鐵礦與煤礦以及大量的其他礦產(chǎn)資源。南極洲蘊藏的礦物有220余種。與此同時南極大陸的氣候變化對全球氣候產(chǎn)生著巨大的影響，研究南極氣候及冰川變化歷史與趨勢對人類了解地球自身的地質(zhì)及氣候變化同時對未來變化做出預(yù)測具有十分重要的意義。受攜帶能源的制約，內(nèi)驅(qū)動球形機(jī)器人的活動時間和范圍有限，難以實現(xiàn)長時間、遠(yuǎn)距離、大范圍的環(huán)境探測，能源供給問題成為內(nèi)驅(qū)動球形機(jī)器人研究的一大難題。設(shè)計一個南極球形機(jī)器人的自供電裝置，可以有效地解決能源供給問題，使其得以在南極環(huán)境中不受能源限制的進(jìn)行探測。南極不僅是世界最冷的地方，也是世界上風(fēng)力最大的地區(qū)。那里平均每年8級以上的大風(fēng)有300天，年平均風(fēng)速19.4米/秒。為改善能源限制，并針對南極風(fēng)力這一特殊自然環(huán)境，由此，設(shè)計一種風(fēng)力作用的自供電裝置，其主要應(yīng)實現(xiàn)的功能就是將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為電能進(jìn)行存儲。針對這一問題，研究者探索建立如打蛋器（Eggbeater）、蒲公英（Dandelion）、風(fēng)滾草（Tumbleweed）、充氣球結(jié)構(gòu)（InflatableTumbleweed）及箱形風(fēng)箏（Box-Kite）結(jié)構(gòu)的外部風(fēng)力驅(qū)動的球形機(jī)器人模型。風(fēng)能是清潔、無污染的可再生能源，可實現(xiàn)人與自然環(huán)境的友好共存。風(fēng)力驅(qū)動裝置歷史悠久，例如古埃及的帆船、三國時代的風(fēng)力驅(qū)動提水機(jī)、宋代的風(fēng)車等，一直到現(xiàn)代的風(fēng)力發(fā)電設(shè)備。風(fēng)力驅(qū)動球形機(jī)器人的概念來源于草原上一種自然植物“風(fēng)滾草”（又名薊）的運動方式，主要目的是為地球上的嚴(yán)酷環(huán)境探測和外星球表面環(huán)境探測提供一個低成本、高效率和高可靠性的運動系統(tǒng)。從2000年開始，國外NASA的蘭利研究中心(LaRC)、JPL、德州技術(shù)大學(xué)(TTU)、北卡羅萊納州立大學(xué)(NCSU)、瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院等相繼開始了風(fēng)力驅(qū)動球形機(jī)器人的研究，其中LaRC、NCSU和TTU主要致力于敞開結(jié)構(gòu)概念模型的研究，JPL主要致力于充氣球模型的研究，瑞士聯(lián)邦技術(shù)學(xué)院正在進(jìn)行可折疊的智能材料風(fēng)力球的研究。JPL制作的直徑1.5米的充氣式風(fēng)力驅(qū)動球形機(jī)器人，2004年進(jìn)行了南極環(huán)境探測，在格陵蘭島冰川上跑了131公里，當(dāng)時風(fēng)速為28km/h，機(jī)器人最大速度達(dá)到17km/h，平均速度約為7km/h，通過依星系統(tǒng)，向控制中心成功傳回了收集的溫度和氣壓等冰川環(huán)境信息。2005年LaRC制作了直徑3米的箱形風(fēng)箏結(jié)構(gòu)的地面原理樣機(jī)。AmirHomayounJavadiA.和PuyanMojabi在2002年開發(fā)了一種全方位球形運動機(jī)器人，Javadi和Mojabi等人將它命名為"August""。機(jī)器人實行自主式供電，邏輯控制系統(tǒng)一部分安裝在球體內(nèi)部板塊，一部分安裝在球體外部控制模板上，通過無線電進(jìn)行連接，August是以中心對稱的原則進(jìn)行裝配，使球體的質(zhì)心和形心重合。August的驅(qū)動系統(tǒng)是由四個螺絲狀的輪輻所構(gòu)成的，它們安裝在一個四面形結(jié)構(gòu)的器件上，彼此之間互成109.47，每個輪輻上攜帶有1.125kg重的砝碼，能夠進(jìn)行上下升降，控制升降運動的電機(jī)直接安裝在輪輻之上。中國發(fā)明專利申請?zhí)?00810231786.2，一種內(nèi)外驅(qū)動兼?zhèn)涞那蛐螜C(jī)器人裝置公開了李團(tuán)結(jié)申請的球形機(jī)器人專利，該裝置以風(fēng)驅(qū)動為主，內(nèi)驅(qū)動為輔利用外部的風(fēng)能驅(qū)動球形機(jī)器人進(jìn)行滾動運動，在遇到障礙物或陷入困境時，通過啟動內(nèi)部驅(qū)動裝置調(diào)整位置姿態(tài)，以越過/避開障礙物或擺脫困境，提高對自然風(fēng)能的利用率。江潔等2012年研制了一種內(nèi)外驅(qū)動兼?zhèn)涞那蛐螜C(jī)器人結(jié)構(gòu)，運動能量主要來源于自然風(fēng)能，球體可在風(fēng)力驅(qū)動下自由滾動；可充氣式球體結(jié)構(gòu)可全向滾動，并具較好彈性；內(nèi)部結(jié)構(gòu)設(shè)計基于動量矩定理，通過配重體的移動改變球形機(jī)器人的重心位置。JunichiAsama等2015年提出了命名為Moball的六正交管道的風(fēng)力驅(qū)動球形機(jī)器人，利用了電磁感應(yīng)現(xiàn)象通過將風(fēng)能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能再轉(zhuǎn)化為電能，文中對旋轉(zhuǎn)和墜落兩種情況進(jìn)行了測試。發(fā)展到現(xiàn)今為止的球形機(jī)器人，特別是國內(nèi)的球形機(jī)器人，由于運用的驅(qū)動原理都是利用重力矩進(jìn)行驅(qū)動，所以內(nèi)部結(jié)構(gòu)大多類似，所用機(jī)械零部件也都大同小異，缺少內(nèi)部結(jié)構(gòu)的改進(jìn)與創(chuàng)新。技術(shù)實現(xiàn)要素：本發(fā)明的目的是在現(xiàn)有的球形機(jī)器人技術(shù)的基礎(chǔ)上，設(shè)計一款適合于用于極地環(huán)境的極地科考的優(yōu)選類甲烷結(jié)構(gòu)風(fēng)驅(qū)式電磁發(fā)電球形機(jī)器人，提供一種內(nèi)部結(jié)構(gòu)新穎的、運用新的機(jī)械結(jié)構(gòu)組成的、可以利用風(fēng)能作為驅(qū)動能源，既結(jié)構(gòu)簡單又節(jié)省能源，又兼具有電能收集的功能。為達(dá)到上述目的，本發(fā)明所采用的構(gòu)思是：本發(fā)明提供的新型結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人，由球殼以及內(nèi)部的管道式電磁裝置組成。球殼外圍最大直徑為1米。球殼分為四瓣，每瓣球殼圓弧所占角度為90度，均勻分布在驅(qū)動裝置外圍，正好形成球體；內(nèi)部是由四個正四面體分布的管道式電磁裝置組成，該管道式電磁裝置是由永磁鐵、線圈、彈簧和掛鉤組成。管道式電磁裝置兩邊分別通過螺紋緊固件連接在球殼和位于球體中心的連接裝置上。根據(jù)上述發(fā)明構(gòu)思，本發(fā)明采用下述技術(shù)方案：一種優(yōu)選類甲烷結(jié)構(gòu)風(fēng)驅(qū)式電磁發(fā)電球形機(jī)器人，包括球殼、永磁鐵、線圈、彈簧、掛鉤、空心管道和連接裝置；所述球殼為密封硬質(zhì)球殼，由四個半球殼拼接固定而成；四個空心管道均勻分布于球殼內(nèi)，兩端分別與中心的連接裝置和球殼內(nèi)壁相連接；所述永磁鐵、彈簧、掛鉤設(shè)于空心管道中，所述彈簧位于永磁鐵的兩側(cè)，通過掛鉤與永磁鐵相連，所述線圈分布在四個空心管道外壁的中心位置。所述的空心管道內(nèi)的永磁鐵會隨球體在風(fēng)力作用下滾動而在管道內(nèi)部做無規(guī)則的往復(fù)運動，因離心力的作用會在管道兩端位置，為了使其有切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的作用，在永磁鐵兩端通過掛鉤連接有兩條彈簧，彈簧會提供永磁鐵克服離心力作用使其恢復(fù)到管道中心位置，由法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象可知線圈因磁通量變化可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，永磁鐵在管道內(nèi)做切割磁感線的運動，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，從而實現(xiàn)將風(fēng)能成功的先轉(zhuǎn)化為球體機(jī)械能，機(jī)械能轉(zhuǎn)化為電能。本發(fā)明與現(xiàn)有風(fēng)驅(qū)動球形機(jī)器人的技術(shù)相比較，在其基礎(chǔ)上進(jìn)行了獨特創(chuàng)新的改進(jìn)，簡化了結(jié)構(gòu)。其優(yōu)勢以及創(chuàng)新點在于：（1）該機(jī)器人內(nèi)部整體結(jié)構(gòu)對稱，驅(qū)動方式簡單可行，并且其各機(jī)械部件都均勻分布，所以運動穩(wěn)定性好。（2）本發(fā)明屬于風(fēng)力驅(qū)動的電磁式球形機(jī)器人，其結(jié)構(gòu)和功能主要針對南極風(fēng)力較大這一特殊地理環(huán)境而設(shè)計，主要的應(yīng)用在于南極科考時的數(shù)據(jù)采集。其主要驅(qū)動方式是依靠著風(fēng)能，可以節(jié)省大量的能量，并且具有自身能量收集裝置，可以最大程度上提高續(xù)航能力。（3）整體上結(jié)構(gòu)新穎、簡單緊湊、質(zhì)量小，內(nèi)部不要需要復(fù)雜的傳動機(jī)構(gòu)，有大量空余的空間可用于檢測、通訊等儀器的搭載，并且可以適應(yīng)極低的惡劣環(huán)境，實現(xiàn)長距離、大范圍的勘探和檢測。附圖說明圖1為本發(fā)明提供的球形機(jī)器人的三維結(jié)構(gòu)圖。圖2為本發(fā)明提供的球形機(jī)器人的內(nèi)部結(jié)構(gòu)圖。圖3為本發(fā)明提供的球形機(jī)器人的管道內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖。圖4為本發(fā)明提供的球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)剖視線框圖。具體實施方式本發(fā)明的優(yōu)選實施例結(jié)合附圖說明如下：如圖1，圖2，圖3，圖4所示，一種優(yōu)選類甲烷結(jié)構(gòu)風(fēng)驅(qū)式電磁發(fā)電球形機(jī)器人，包括球殼1、永磁鐵2、線圈3、彈簧4、掛鉤5、空心管道6和連接裝置7；所述球殼1為密封硬質(zhì)球殼，由四個半球殼拼接固定而成；四個空心管道6均勻分布于球殼1內(nèi)，兩端分別與中心的連接裝置7和球殼1內(nèi)壁相連接；所述永磁鐵2、彈簧4、掛鉤5設(shè)于空心管道6中；所述彈簧4位于永磁鐵2的兩側(cè)，通過掛鉤5與永磁鐵2相連；所述線圈3分布在四個空心管道6外壁的中心位置。本發(fā)明的工作原理如下：在無風(fēng)時，球形機(jī)器人整體處于一種靜止的平衡狀態(tài)，永磁鐵2位于空心管道6內(nèi)的中心位置，無運動，所以無切割磁感線的運動即無感應(yīng)電動勢產(chǎn)生。當(dāng)球形機(jī)器人所在的外界環(huán)境有風(fēng)時，所述的空心管道6內(nèi)的永磁鐵2會隨球殼1在風(fēng)力作用下滾動而在空心管道6內(nèi)部做無規(guī)則的往復(fù)運動，因離心力的作用會在空心管道6兩端位置，為了使其有切割磁感線產(chǎn)生感應(yīng)電動勢的作用，在永磁鐵2兩端通過掛鉤5連接有兩條彈簧4，彈簧4會提供永磁鐵2克服離心力作用使其產(chǎn)生恢復(fù)到空心管道6初始運動狀態(tài)趨勢的作用力。由法拉第電磁感應(yīng)現(xiàn)象可知，線圈3因磁通量變化可產(chǎn)生感應(yīng)電動勢，永磁鐵2在空心管道6內(nèi)做切割磁感線的運動，進(jìn)而產(chǎn)生感應(yīng)電動勢。收集產(chǎn)生的電動勢，將其利用于球形機(jī)器人攜帶的通訊及檢測裝置，進(jìn)而實現(xiàn)探索工作。當(dāng)前第1頁1 2 3 當(dāng)前第1頁1 2 3