一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器的制作方法

本发明涉及一种球形探测器。

背景技术：

以轮式、腿式、履带式等常见移动方式的探测器虽然具有越障能力强、稳定性高等特点，但都存在抗翻倒性差的缺陷，受到地形环境因素制约较大，在恶劣、复杂的地形环境中难以发挥作用；且由于其自身结构复杂，所占空间大，不易于一箭多器发射及群体协同进行深空探测。

“a novel strategy for an omnidirectional spherical rolling robot”一文介绍的正四面体空间均布的轮幅内驱动球形探测器(Javadi A H，Mojabi P，2002，In Proc.IEEE Int.Conf.On Robotics and Automation)、“Circular/spherical robots for crawling and jumping”(Yuuta Sugiyama,Ayumi Shiotsu,etc，2005，Proceedings of the 2005IEEE International Conference on Robotics and Automation)一文介绍的壳体可变形的圆形和球形机器人、麻省理工学院“Mobility and power feasibility of a microbot team system for extraterrestrial cave exploratio”(Kesner S B，Plante J S，etc，2007，IEEE International Conference on Robotics and Automation)的具有跳跃和滚动运动的微型球形机器人系统、北京邮电大学的BYQ-Ⅰ、BYQ-Ⅱ、BYQ-Ⅲ、BYSQ-Ⅰ(“全方位机器人研究”、“一种新颖的球形运动机器人的研究”等学位论文)等均为内驱动球形机器人，可实现完全自主运动，但由于内驱动球形机器人行进速度低、受携带能源制约，活动范围有限，难以实现远距离环境探测。

“NASA/JPL tumbleweed polar rover”(IEEE Aeroconference)一文介绍的充气式风力驱动球形机器人具有高速行进、大范围探测的能力；中国专利101249849A名称为一种风力驱动具有多种运动方式的环境探测球形机器人，兼具主动驱动与被动驱动能力，但二者都完全依赖于太阳能单元实现能源供给，当长期处于无日照或日照时间过短的环境时，将严重影响系统工作。“Low Cost Mars Surface exploration:The Mars Tumbleweed”(NASA/TM-2003-21241 1)提到的Wind Spheres蒲公英探测器实现信标作用，但无法携带载荷实现环境探测等功能。

综上所述，现有环境探测器存在能源种类单一、携带能源受限、抗翻倒性差和空间资源占用大等不同方面的问题。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，本发明提出了一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器，实现风能供电、行进速度快、内外驱动兼备、并具有多种运动方式，具有极强的环境适应性，新的能源方式使其能源产生摆脱了时间、日照、风沙的限制，通过折叠结构设计最大限度的节约了在轨空间，多驱动、运动方式扩展了探测器功能。

本发明所采用的技术方案是：一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器，包括：充气组件、发电装置、偏心轮轴、照相系统、陀飞轮、蓄电池、第一轴承、基座、外套、内套、密封内外圈、电机、丝杠、驱动块、导向杆、第二轴承、太阳能电池板、气囊；气囊两端均安装有外套，外套位于气囊内部，内套嵌入外套内，内套与外套配合使得气囊端部固定在外套和内套之间的间隙内，用于密封气囊的密封内外圈安装在外套和内套之间；导向杆两端分别与基座固定，导向杆位于两基座之间；基座固定安装在内套端部，位于气囊内部；丝杠一端通过第二轴承安装在基座上，另一端连接电机，电机固定在另一个基座上；导向杆、丝杠均穿过驱动块，驱动块在电机的驱动下沿着导向杆滑动；偏心轮轴一端通过第一轴承固定到基座上，另一端连接发电装置，发电装置安装到另一个基座上；陀飞轮固定在偏心轮轴上，蓄电池套在偏心轮轴上；太阳能电池板分别安装在两基座的侧面；充气装置安装在基座上；照相系统固定在驱动块上。

所述外套为圆筒形结构，一端有用于支撑气囊向外的翻边结构，内壁有用于安装密封内外圈的密封槽。

所述内套为一端开口的圆柱形壳体，外壁有用于安装密封内外圈的密封槽，与外套上密封槽位置对应。

所述陀飞轮为一体结构，包括两部分，一部分为长方形块，其上开有通孔，偏心轮轴从通孔穿过，另一部分为扇形的摆轮；陀飞轮固定在偏心轮轴中部。

所述蓄电池有两组，位于陀飞轮两侧。

所述相机系统包括2台或4台相机，对称安装在驱动块上。

所述太阳能电池板有8个，分别固定在两基座的侧边上。

所述气囊外直径为600mm。

所述陀飞轮的厚度为15mm，扇形摆轮的半径为16mm，陀飞轮重心距固连点的距离为23mm。

所述偏心轮轴和导向杆的轴线间距为57mm。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明利用风动能作为新的能源选择。利用陀飞轮实现风动能，在被动驱动工作模式下，可通过陀飞轮和陀飞轮轴绕陀飞轮轴轴线转动，产生转动力矩，发电装置将动能转化为电能储存。从而实现风到势能、势能再到电能的转化，作为现有太阳能供电以外的新能源选择。该能源方式也使得探测器能源的产生摆脱了时间、日照、风沙的限制。

(2)本发明具有高收纳比结构。采用充气可展开结构，压紧收拢时呈长方体，充气可展开，其完全展开态(球形)与收拢态(长方体)具有高收纳比，大大地提高了发射空间的利用，为实现“一星多器、多器协同”的发射策略奠定基础。

(3)本发明具有7×24小时全天候探测能力。白天可实现地形探测与图像获取等功能，夜晚也可完成地形探测功能，具备全天候工作能力。同时，2种工作模式(主动驱动与风力驱动)、根据不同地形环境可选择滚动、弹跳、悬浮等多种运动方式，使其在行星表面时具有地形探测、图像获取等功能，在被行星季风卷起后，具备探测行星大气动力学与大气结构的能力；可保证强季风、沙尘等恶劣天气对球形探测器工作均无影响，反而可提高其探测距离。

附图说明

图1为本发明球形探测器的组成分解图；

图2为本发明球形探测器完全收拢状态示意图；

图3为本发明球形探测器半展开状态；

图4为本发明球形探测器完全展开状态；

图5为本发明端部局部装配图；

图6为本发明局部装配图图；

图7为本发明陀飞轮示意图。

具体实施方式

如图1所示，将多种运动方式进行综合，是实现扩展运动范围、提高其自适应力的重要途径。为了解决以往探测器在携带能源受限、抗翻倒性差和空间资源占用大等多方面的问题，本发明提出了一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器。对于风力装置，除环境因素外，作用在该装置上的风力与其形状和主要尺寸有关。本发明在风力驱动的同时，利用风能进行发电，可作为现有环境探测器的有力补充。

如图1所示，是本发明的系统组成分解图，如图2所示，是本发明完全收拢状态，如图3所示，是本发明半展开状态，如图4所示，是本发明完全展开状态。

整个球形探测器的组成及各个部件说明图如图1所示。一种风能发电的具有多种运动方式的球形探测器，包括：充气组件1(如图5所示，由阀门19和气瓶20组成)、发电装置2、偏心轮轴3、照相系统4、陀飞轮5、蓄电池(兼顾配重)6、第一轴承7、基座8、外套9、内套10、密封内外圈11、电机12、丝杠13、驱动块(含馈元)14、导向杆15、第二轴承16、电池板17、气囊18。

本发明球形探测器包括：中部载荷区、气囊18、充气组件1和刚柔连接组件，前两者通过刚柔连接组件实现连接。其中，中部载荷区包括驱动组件、陀飞轮组件、蓄电池6(兼顾配重)、太阳能电池组件和相机组件五个部分。

刚柔连接组件由外套9、内套10、密封内外圈11和基座8组成，共有2套，对称布局在球形气囊的两端。外套9和内套10为回转体结构，在侧面有均布的螺钉孔，用于外套9、内套10和气囊18的固定；外套9为圆筒形结构，一端有向外的翻边结构用于支撑气囊18，内壁有用于安装密封内外圈11的密封槽；内套10为一端开口的圆柱型壳体，外壁有用于安装密封内外圈11的密封槽且与外套9上密封槽位置对应，安装在外套9圆筒结构内；气囊18端部安装在外套9和内套10之间，密封内外圈11安装在外套9、内套10的相应的密封槽内，用螺钉在外套9和内套10的侧壁固定后成为一个整体，气囊18端部薄膜从密封内外圈11之间穿过，靠密封内外圈11的浮动式连接形式将柔性气囊18与刚性金属结构隔开，并实现刚柔连接部位的密封，如图5所示。

基座8为平板结构，内套10开口端通过螺钉固定在基座8中部，基座8提供太阳能电池板17、驱动组件、陀飞轮组件、充气组件等的连接接口。三轴传感器、信息处理器、能源管理器等可布在基座8上，其设计同常规探测器。

驱动组件由导向杆15、丝杠13、驱动块(含馈元)14、第二轴承16和电机12(含控制)组成。导向杆15的两端分别与上下两个基座8固定；丝杠13的一端连接第二轴承16，另一端连接电机12，再固定在两端的基座8上；驱动块14包括两部分，主体结构为块状，块状结构侧壁向外伸出柄状结构，导向杆15穿过驱动块14的块状结构中部，丝杠13穿过柄状结构的一端，在电机12的驱动下，驱动块(含馈元)14能够沿着导向杆15滑动，改变球形探测器的重心，实现本发明探测器滚动的主动控制，如图6所示。

可选用具有一定刚度的特种天线，实现导向杆15功能，同时，实现天线馈元与驱动块14的功能合并。与之对应，可将导向杆15一端的部分气囊18采用反射材料，从而实现对天定向。

陀飞轮组件由陀飞轮5、第一轴承7、偏心轮轴3和发电装置2组成。偏心轮轴3的一端安装第一轴承7，固定到基座8上；另一端连接发电装置2，安装到另一个基座8上。陀飞轮5由螺钉固定到偏心轮轴3上；当探测器滚动时，陀飞轮5和偏心轮轴3绕偏心轮轴3的轴线转动，产生转动力矩，发电装置2将动能转化为电能储存。陀飞轮组件如图6所示，陀飞轮5如图7所示。陀飞轮5为一体结构，包括两部分，一部分为长方形块，其上开有通孔，偏心轮轴3从通孔穿过，并使用螺钉在与偏心轮轴3垂直的方向固定陀飞轮5和偏心轮轴3；另一部分为扇形的摆轮；蓄电池(兼顾配重)6套在偏心轮轴3上，位于陀飞轮5两侧。

太阳能电池组件共包括8块太阳能电池板17，分别安装在上下两个基座8的4个侧面，当有光照时将太阳能转化为电能储存，对球形探测器内各组件供电。该部分具有可扩展性。气瓶20安装在基座8上。

在驱动块(含馈元)14上可对称安装2台或4台相机，相机能随驱动块(含馈元)14上下移动，用于观察记录外部环境信息和内部工作状态。

当完成系统布局后，可通过蓄电池(兼顾配重)6来保证系统的重心位于探测器的中轴线上。

在发射时，气囊18和陀飞轮5呈收拢压紧状态，中部载荷区位于收紧的球状展开体中心，整个系统完全收拢状态外包络为长方体，如图2所示。当该探测器运送/发射到达某一探测环境开始工作时，发出指令，打开阀门19将气体充入气囊18中，内压解锁，展开状态为球形，其半展开态及完全展开态如图3、图4所示。该充气式的球体结构使之仍具有全向滚动的特点，并兼具较好的弹性；而且所有设置可以得到球壳的可靠保护，没有导线在外裸露，不易被障碍物挂住或挂断导线。

本发明的球形探测器具有以下4项主要功能：利用三轴传感器数据，实现行星表面地形探测功能、利用相机组件数据，实现图像采集功能、可作为其它探测器与指定卫星之间的中转机站、当遇到春季强季风时，在空中可利用三轴传感器数据实现大气结构测量。

本发明的球形探测器的工作模式有两种：被动驱动模式和主动驱动模式。球形探测器适合在行星风力较强时释放，主要工作在被动驱动模式，此时以自然风能为主要驱动力，充气式的球体结构使之具有全向滚动的特点，并兼具较好的弹性。在遇到障碍物或陷入困境时，进入主动驱动模式，通过配重体的移动，改变球形探测器的重心位置，此时球体系统的重力和地面对球体的支持力形成一个力偶，该力偶将驱动球形探测器在平面上发生滚动，在遇到障碍物时可以此来调整其位置姿态，从而达到越过或避开障碍物的目的。

在被动驱动模式下，通过电磁阀控制充气组件1，对球状体进行充气，使探测器可具有弹跳和滚动两种运动状态。在该模式下，探测器在探测环境表面受风力驱动做滚动运动，可对大面积的行星表面进行探测。同时，球形探测器滚动过程中，可通过陀飞轮5绕着与球体连接的偏心轮轴3中心摆动，将风能转化为势能，再将力矩传递到发电装置2上，实现势能到电能的转化。在主动驱动模式下，内置驱动装置工作原理如下：电机12带驱动块(含馈元)14自球心沿丝杠13和导向杆15向一端进行直线移动，球体的重心位置随之发生改变，球形探测器随之沿直线驱动块(含馈元)14移动的方向滚动。此时，由蓄电池6为电机12供电，电能主要来自于被动驱动模式下的风能发电及太阳能的持续供电。

在发射状态下，气囊18可折叠，折叠后用搭扣进行固定。充气后，搭扣自动弹开，气囊18展开为球形，具有密封和耐50kPa内压能力。如图5所示，充气组件1由阀门19、气瓶20和传感器组成。气瓶20携带气源，接到充气指令后阀门19打开，对气囊18充气，传感器监视气囊18内压强，可多次对气囊18进行充气。充气组件1各设备都设有2套，互为备份。同时，高压的气瓶20携带气体量充分考虑漏率与探测器在轨工作时间。

通常，柔性气囊18在内压作用下，在舱体蒙皮上产生的面内应力足以使气囊18获得抵抗外力变形的能力，一般不需要进行刚化。但考虑到行星表面环境，希望进一步提高其刚度，可进行刚化处理。采取的措施是在气囊18表面设计可刚化涂层，涂层材料可以是热固性可刚化材料、热塑性可刚化材料、层合铝自刚化材料体系等，当气囊18展开时，将实现自刚化。

实施例

本发明球形探测器在发射时，气囊18和陀飞轮5呈收拢压紧状态，中部载荷区位于收紧的球状展开体中心，整个系统完全收拢状态外包络约为600mm*120mm*120mm的长方体，如图2所示。

当本发明的球形探测器运送/发射到达某一探测环境开始工作时，发出指令，打开气阀将气体充入气囊18中，内压解锁，展开状态为直径约为0.6m的球形，其半展开态及完全展开态如图3所示。

在发射状态下，气囊18可折叠，折叠后用搭扣进行固定。充气后，搭扣自动弹开，气囊18展开为球形，具有密封和耐50kPa内压能力。气囊18及充气组件参数如表1所示。

表1气囊及充气组件参数

驱动组件由导向杆15、丝杠13、驱动块(含馈元)14、第二轴承16和电机12(含控制)组成。驱动组件参数如表2所示。

表2驱动组件参数

以在火星上应用为例，火星中主要的大气成分为CO₂，约占整个火星大气的95％。经测量，在一般情况下火星表面的风速约为3.06m/s-16.11m/s，而在火星的两极地区，风速可高达111.11m/s，在全球性的沙尘暴情况下风速可能更高。假设风速为12m/s时，此时风力约为6N。陀飞轮组件参数为表3所示。

表3陀飞轮组件参数

太阳能电池组件共包括8块太阳能电池板17，太阳能电池组件参数如表4所示。

表4太阳能电池组件参数

本发明说明书未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。