一种限定旋转方向的风驱动球形机器人探测器的制作方法

本发明涉及一种限定旋转方向的风驱动球形机器人探测器，属于极地探测机器人领域。

背景技术：

南极作为人类最后发现的一片大陆，一直以来都是各国探索的重点区域。南极有着丰富的资源，包括220余种矿物。南极地下有着当今世界最大的富铁矿藏，据科学家探测，这部分铁矿足够人类使用200年。但是，南极独特的地理环境给探测研究带来了巨大的挑战。南极的恶劣环境，人类难以长期居住，因此难以对探索机器人进行补给，这样也就需要探索机器人自身能够再生能源。

南极环境恶劣，地势复杂。足式机器人在南极行走时有着极大的倾覆风险。球形机器人无棱角的特点就成为了巨大的优势。球形机器人外球壳将球体内部与周围环境隔离开来，电子器件置于球内，对器件进行保护。球形机器人运动时全方位都可转动，可实现任意转向，具有损耗少、效率高、不会倾倒的特点。

球形机器人研究中动力来源是极重要的问题。机器人的动力分为两类：自带能源的主动驱动和靠外力被动驱动。主动驱动因耗能过大，续航能力不足。研究者更倾向于采用被动驱动。南极有着常年大风的特点，2012年加州理工学院和美国nasa喷气推进实验室共同研制了一种名为moball球形机器人，便是采用风力驱动机器人运动，并在机器人内部设置多个发电管道，利用电磁发电的原理为球体内部电子器件提供能量。

但是球形机器人在随风滚动时，其旋转平面是任意的，这样会影响管道的发电效率，若能限定球形机器人的旋转平面就能提高效率。中国发明专利201510737309.3公开了一种搭载有控制力矩陀螺，并具有原地自转能力的球形机器人，该发明利用驱动机构改变球形机器人的转向，并对机器人运动方向进行控制，但是耗能过大，不适用于极地探索。

技术实现要素：

本发明针对上述存在问题，提出一种限定旋转方向的风驱动球形机器人探测器，使得球形机器人在运动时，内部管道与旋转平面始终（或经过短暂调整）处于平行位置，提高管道发电效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

一种限定旋转方向的风驱动球形机器人探测器，包括外球壳、长管道连接件、短管道连接件、长发电管道、短发电管道、中连件和重物块；所述外球壳为具有一定柔性的两个半球壳通过中连件拼接而成的球体；所述长管道连接件和短管道连接件是外球壳与发电管道的连接机构，其中内含一定空间用来容纳锂电池；所述长发电管道为发电装置，位于球体中心轴上，两端通过长管道连接件固定在外球壳上，长发电管道外部套着重物块；所述短发电管道也是发电装置，两端通过短管道连接件固定在外球壳上，其以球形机器人外球壳的球心为中心、平行于长发电管道、两两间隔90°安装，共有4组。

所述中连件是一个与外球壳等直径等厚度的圆柱体，采用无缝焊接的方式通过中连件将两个半球壳连接，形成完整的外球壳的球体。

所述长管道连接件包括第一连接件、第一磁体、第二螺钉、第一缓冲件和第一螺钉；所述第一连接件外形为圆柱状，内有3个直径不同的孔，通过第一螺钉与外球壳连接，第一连接件与外球壳接触面呈弧形，使得长管道连接件顶部能与外球壳紧密贴合；所述第一磁体采用过度配合安装于第一连接件内部，与长管道接触，当长发电管道中第三磁体滑落到端部时，与第一磁体产生斥力减缓对长发电管道端部的冲击，并为第三磁体反向运动提供回复力；所述第二螺钉为拧紧螺钉，固定长管道；所述第一缓冲件固定在第一连接件的底部，是重物块滑落到端部的缓冲器件，采用柔性材料，能有效减少冲击。

所述短管道连接件的结构与长管道连接件相似，包括第二连接件、第二磁体、第四螺钉、第二缓冲件和第三螺钉；所述第二连接件通过第三螺钉与外球壳相连，第二连接件与外球壳接触面呈弧形，使得短管道连接件顶部能与外球壳紧密贴合；所述第二磁体采用过度配合安装在第二连接件内部，与短管道接触，当短发电管道中第四磁体滑落到端部时，与第二磁体产生斥力减缓对短发电管道端部的冲击，并为第四磁体反向运动提供回复力；所述第四螺钉为拧紧螺钉，固定短管道；所述第二缓冲件固定在第二连接件的底部。

所述长发电管道包括长管道、套筒、第一线圈和第三磁体；所述长管道为塑料制透明管道；所述套筒套在长管道上，与重物块直接接触；所述第一线圈对称分布在长管道上，与第三磁体组成发电装置，当球形机器人随风滚动时，第三磁体在重力的作用下在长管道内往复运动，通过第一线圈切割磁感线产生电能，当第三磁体运动到端部时，与第一磁体相互产生斥力，减少冲击并提供回复力。

所述短发电管道的结构与长发电管道相似，包括短管道、第二线圈、第四磁体；所述短管道为塑料制透明管道；所述第二线圈对称分布在短管道上，与第四磁体组成发电装置，当球形机器人随风滚动时，第四磁体在重力的作用下在短管道内往复运动，通过第二线圈切割磁感线产生电能，当第四磁体运动到端部时，与第二磁体相互产生斥力，减少冲击并提供回复力。

所述重物块采用具有极大密度的非磁性材料，当球形机器人随风滚动时，能在套筒上往复运动，因其重量大，能够不断调整球形机器人重心，使得重心一直在长发电管道上，从而使得球形机器人滚动方向始终通过套筒的轴，进而球形机器人滚动平面始终与长短发电管道平行，提高发电效率。

本发明与现有技术相比，具有如下突出实质特点和显著优势：

（1）本发明属于风力驱动机器人范畴，主要针对南极等常年多风的特殊环境进行设计，用于这些地域科考时对周边环境信息进行数据采集。本发明采用被动驱动的方式，借助风力驱动球体，可大幅度减少机器人的能耗，在加上管道发电装置使得机器人能再生电能，大大提高了球形机器人的续航时间。

（2）本发明采用电磁发电的方式提高球形机器人的续航能力，长短发电管道采用对称的两个线圈来提高发电量，通过在管道外安装磁体产生斥力减少管道中磁体下滑的冲击力，且因为磁体安装在管道外可以避免在管道端部设计端盖固定，充分利用管道长度。

（3）本发明共设计5根管道，装备简单，空间布局合理。

（4）本发明解决因球形机器人任意旋转导致的管道发电效率下降的问题，重物块的设计可以使得球形机器人的重心始终在长管道上，旋转方向始终与管道平行，提高发电效率。

附图说明

图1为本发明空间结构示意图。

图2为长管道连接件结构示意图。

图3为短管道连接件结构示意图。

图4为长发电管道结构示意图。

图5为短发电管道结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明具体实施例作进一步说明。

如图1所示，一种限定旋转方向的风驱动球形机器人探测器，包括外球壳1、长管道连接件2、短管道连接件3、长发电管道4、短发电管道5、中连件6和重物块7；所述外球壳1为具有一定柔性的两个半球壳通过中连件6拼接而成的球体；所述长管道连接件2和短管道连接件3是外球壳1与发电管道的连接机构，其中内含一定空间用来容纳锂电池；所述长发电管道4为发电装置，位于球体中心轴上，两端通过长管道连接件2固定在外球壳1上，长发电管道4外部套着重物块7；所述短发电管道5也是发电装置，两端通过短管道连接件3固定在外球壳1上，其以球形机器人外球壳1的球心为中心、平行于长发电管道4、两两间隔90°安装，共有4组。

所述中连件6是一个与外球壳1等直径等厚度的圆柱体，采用无缝焊接的方式通过中连件6将两个半球壳连接，形成完整的外球壳1的球体。

如图2所示，所述长管道连接件2包括第一连接件2-a、第一磁体2-b、第二螺钉2-c、第一缓冲件2-d和第一螺钉2-e；所述第一连接件2-a外形为圆柱状，内有3个直径不同的孔，通过第一螺钉2-e与外球壳1连接，第一连接件2-a与外球壳1接触面呈弧形，使得长管道连接件2顶部能与外球壳1紧密贴合；所述第一磁体2-b采用过度配合安装于第一连接件2-a内部，与长管道4-a接触，当长发电管道4中第三磁体4-d滑落到端部时，与第一磁体2-b产生斥力减缓对长发电管道4端部的冲击，并为第三磁体4-d反向运动提供回复力；所述第二螺钉2-c为拧紧螺钉，固定长管道4-a；所述第一缓冲件2-d固定在第一连接件2-a的底部，是重物块7滑落到端部的缓冲器件，采用柔性材料，能有效减少冲击。

如图3所示，所述短管道连接件3的结构与长管道连接件2相似，包括第二连接件3-a、第二磁体3-b、第四螺钉3-c、第二缓冲件3-d和第三螺钉3-e；所述第二连接件3-a通过第三螺钉3-e与外球壳1相连，第二连接件3-a与外球壳1接触面呈弧形，使得短管道连接件3顶部能与外球壳1紧密贴合；所述第二磁体3-b采用过度配合安装在第二连接件3-a内部，与短管道5-a接触，当短发电管道5中第四磁体5-c滑落到端部时，与第二磁体3-b产生斥力减缓对短发电管道5端部的冲击，并为第四磁体5-c反向运动提供回复力；所述第四螺钉3-c为拧紧螺钉，固定短管道5-a；所述第二缓冲件3-d固定在第二连接件3-a的底部。

如图4所示，所述长发电管道4包括长管道4-a、套筒4-b、第一线圈4-c和第三磁体4-d；所述长管道4-a为塑料制透明管道；所述套筒4-b套在长管道4-a上，与重物块7直接接触；所述第一线圈4-c对称分布在长管道4-a上，与第三磁体4-d组成发电装置，当球形机器人随风滚动时，第三磁体4-d在重力的作用下在长管道4-a内往复运动，通过第一线圈4-c切割磁感线产生电能，当第三磁体4-d运动到端部时，与第一磁体2-b相互产生斥力，减少冲击并提供回复力。

如图5所示，所述短发电管道5的结构与长发电管道4相似，包括短管道5-a、第二线圈5-b、第四磁体5-c；所述短管道5-a为塑料制透明管道；所述第二线圈5-b对称分布在短管道5-a上，与第四磁体5-c组成发电装置，当球形机器人随风滚动时，第四磁体5-c在重力的作用下在短管道5-a内往复运动，通过第二线圈5-b切割磁感线产生电能，当第四磁体5-c运动到端部时，与第二磁体3-b相互产生斥力，减少冲击并提供回复力。

所述重物块7采用具有极大密度的非磁性材料，当球形机器人随风滚动时，能在套筒4-b上往复运动，因其重量大，能够不断调整球形机器人重心，使得重心一直在长发电管道4上，从而使得球形机器人滚动方向始终通过套筒4-b的轴，进而球形机器人滚动平面始终与长短发电管道平行，提高发电效率。

本发明的工作过程如下：

极地气候常年多风，当球体随风转动时，长发电管道4和短发电管道5中的第三磁体4-d和第四磁体5-c下滑，通过第一线圈4-c和第二线圈5-b产生感应电动势。与此同时，重物块7也会在重力的作用下沿着长发电管道4下滑，不断改变球体的重心使得球体旋转方向始终与长发电管道4平行，在这个方向上磁体通过线圈产生的感应电动势是最大的，提高了发电效率。当磁体滑到管道另一端时，固定在管道的磁体会产生斥力作用，减缓磁体下滑速度，减少冲击。当磁体和重物块7速度为零之后反向运动，周而复始，这样只要球体不停转动就能源源不断产生电能。