球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式，屬于地面移動機(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。本發(fā)明利用在電極板與其對應(yīng)的球形薄膜區(qū)域之間形成的局部電場，使設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域的壓電薄膜在該電場的作用下產(chǎn)生彎曲作動效果，從而驅(qū)動球形薄膜變形并滾動。
【專利說明】球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及地面移動機(jī)器人【技術(shù)領(lǐng)域】，具體是一種球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式?！颈尘凹夹g(shù)】
[0003]地面移動機(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)的地面移動機(jī)器人設(shè)置有框架等車體結(jié)構(gòu)，基本驅(qū)動方式采用輪式、履帶式或輪履復(fù)合式。隨著現(xiàn)代驅(qū)動技術(shù)的飛速發(fā)展，可以從機(jī)器人的行走機(jī)構(gòu)及驅(qū)動方式上尋求突破，保證地面移動機(jī)器人具有良好運(yùn)動性能的前提下，降低地面移動機(jī)器人的重量，提高地面移動機(jī)器人的越障能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明旨在研發(fā)一種球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、無噪音、小型化、越障能力高、安全性高、機(jī)動性能強(qiáng)以及環(huán)境適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。
[0005]本發(fā)明為解決上述技術(shù)問題，采用以下技術(shù)方案:
本發(fā)明公開了一種球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)及其運(yùn)動方式，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/n的弧度，并分別與電源正極的η個驅(qū)動端口連接，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)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式，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)成一個電容，電源正極的驅(qū)動端口對左側(cè)第m (I η)片電極板供電時，在球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu)成一個勻強(qiáng)電場；利用壓電薄膜在電場作用下產(chǎn)生彎曲作動的特點(diǎn)，使處在該電場中的壓電薄膜產(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)，同時使球形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)向右滾動一小段距離；由于位于電場區(qū)域的壓電薄膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場的強(qiáng)度，同時球形薄膜被迫向右運(yùn)動帶著該部分的壓電薄膜運(yùn)動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的壓電薄膜將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(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，再一次驅(qū)動整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)不斷向右運(yùn)動。
[0007]利用壓電薄膜在電場作用下的彎曲作動效應(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)動球形機(jī)構(gòu)運(yùn)動，使得球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)無需前后輪及其支撐結(jié)構(gòu)，不需要電機(jī)、車體框架等結(jié)構(gòu)，有效的減輕了運(yùn)動機(jī)構(gòu)的重量，使其重量輕、機(jī)動靈活、負(fù)重更多、提高了地面移動機(jī)器人的越障能力；同時壓電薄膜響應(yīng)快，能耗低，可以提高球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的工作時間和使用壽命。
[0008]所述的球形運(yùn)動機(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。
[0009]所述的球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)，其特征在于:上述η為偶數(shù)，通過調(diào)整對電源正極不同驅(qū)動端口供電，使得球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)可以左右對稱的調(diào)整運(yùn)動方向，調(diào)整方向的精度為2 π/n。
[0010]所述的球形運(yùn)動機(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器。
[0011]所述的球形運(yùn)動機(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)動裝置的正常工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是壓電薄膜陣列粘貼示意圖；
圖3是懸浮機(jī)構(gòu)及電極板結(jié)構(gòu)示意圖；
圖4是電極板分區(qū)示意圖；
圖5是電源及上、下配重塊的正視圖；
圖6是電源及上、下配重塊的剖視圖；
圖7內(nèi)部懸浮機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是球形薄膜內(nèi)注入油液置于地面變形后的剖視圖；
圖9是球形薄膜運(yùn)動原理圖；
圖10是球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)運(yùn)動示意圖；
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】
[0013]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明的技術(shù)方案作進(jìn)一步的詳細(xì)說明:
一種球形運(yùn)動機(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)置有三個通孔用于螺栓固定，在連接處設(shè)置有三個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 /n弧長，并且η片電極板分別與電源正極的η個驅(qū)動端口連接，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 /n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。
[0014]當(dāng)球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)通過信號接收器接收到指揮部門的命令開始工作時，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)成一個電容，電源正極的驅(qū)動端口對左側(cè)第m (Iη)片電極板供電時，在球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu)
成一個勻強(qiáng)電場，且壓電薄膜處在勻強(qiáng)電場中；利用壓電薄膜在電場作用下的彎曲作動效應(yīng)，使處在該電場中的壓電薄膜產(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)，同時使球形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)向右滾動一小段距離；由于位于電場區(qū)域的壓電薄膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場的強(qiáng)度，同時球形薄膜被迫向右運(yùn)動帶著該部分的壓電薄膜運(yùn)動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的壓電薄膜將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(qū)域的球形薄膜上的導(dǎo)電薄層與左側(cè)第m (I < m < 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，再一次驅(qū)動整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)不斷向右運(yùn)動，其具體運(yùn)動過程如圖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)計為靠近底部而不會發(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；球形薄膜運(yùn)動不影響設(shè)置在其內(nèi)部驅(qū)動裝置的正常工作；根據(jù)運(yùn)動過程中的地面環(huán)境，通過傳感器以及控制器調(diào)整電源輸出電信號以調(diào)控球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動速度；控制調(diào)整電源正極對不同驅(qū)動端口的電極板供電以調(diào)控球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方向，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/n的小角度的運(yùn)動方向的改變，實(shí)現(xiàn)對球形運(yùn)動機(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/n的弧度，并分別與電源(2)正極的η個驅(qū)動端口連接，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。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的運(yùn)動方式，其特征在于: 所述的電極板(4)、球形薄膜(9)內(nèi)表面上的導(dǎo)電薄層(8)以及油液(6)三部分在球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)靠近底部區(qū)域構(gòu)成一個電容，當(dāng)電源(2)正極的驅(qū)動端口對第m (I < m < η)片電極板(4)供電時,在此電容間形成一個勻強(qiáng)電場； 利用壓電薄膜(7)在電場作用下產(chǎn)生彎曲作動的特點(diǎn)，當(dāng)電源(2)對左側(cè)的第m(m < η )片電極板(4 )供電時，在球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu)成一個勻強(qiáng)電場，使處在該電場中的壓電薄膜(7)產(chǎn)生彎曲變形，從而迫使左下角區(qū)域的球形薄膜(9)產(chǎn)生彎曲變形，具體為向右上方彎曲，變形后的球形薄膜(9)推動在其內(nèi)部的油液(6)，油液(6)在推力的作用下向右平移，油液(6)作用于球形薄膜(9)的右側(cè)，同時使球形薄膜(9)右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)向右滾動一小段距離； 由于位于電場區(qū)域的壓電薄膜(7)產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場的強(qiáng)度，同時球形薄膜(9)被迫向右運(yùn)動帶著該部分的壓電薄膜(7)運(yùn)動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的壓電薄膜(7)將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(qū)域的球形薄膜(9 )上的導(dǎo)電薄層(8 )與電極板(4 )重新構(gòu)成新的電容，相應(yīng)區(qū)域的壓電薄膜(7 )產(chǎn)生彎曲作動，再一次驅(qū)動整個球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使球形運(yùn)動機(jī)構(gòu)不斷向右運(yùn)動。
【文檔編號】B62D57/02GK103921859SQ201410149728
【公開日】2014年7月16日 申請日期: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 申請人:南京航空航天大學(xué)