[发明专利]球形运动机构及其运动方式

说明书

 

技术领域

    本发明涉及地面移动机器人技术领域，具体是一种球形运动机构及其运动方式。

背景技术

    地面移动机器人是一种新型机器人，在军事侦察、灾害救援等领域具有广泛的应用。传统的地面移动机器人设置有框架等车体结构，基本驱动方式采用轮式、履带式或轮履复合式。随着现代驱动技术的飞速发展，可以从机器人的行走机构及驱动方式上寻求突破，保证地面移动机器人具有良好运动性能的前提下，降低地面移动机器人的重量，提高地面移动机器人的越障能力。

发明内容

    本发明旨在研发一种球形运动机构及其运动方式，具有结构简单、无噪音、小型化、越障能力高、安全性高、机动性能强以及环境适应性强等优点。

本发明为解决上述技术问题，采用以下技术方案：

本发明公开了一种球形运动机构及其运动方式，包括呈全封闭结构的球形薄膜，还包括位于球形薄膜内处于1/3至1/2高度的油液，还包括悬浮于油液中的悬浮机构；上述悬浮机构内安装有电源，悬浮机构外圈沿圆周方向均匀贴有n片电极板，每片电极板横跨圆周2π/n的弧度，并分别与电源正极的n个驱动端口连接，相邻电极板间设置有绝缘层,n为大于等于4小于等于16的自然数；上述球形薄膜的内表面喷涂有导电薄层，导电薄层内表面按足球外表面的拼接方式粘贴正五边形和正六边形的压电薄膜，且相邻的两片压电薄膜之间具有防止弯曲变形相互影响的安全间隙，导电薄层与电源负极连接；球形薄膜由于内部油液和悬浮机构的重力作用，底部变形；所述的电极板正好靠近球形薄膜底部变形后曲率最大处。

所述的球形运动机构的运动方式，其特征在于：所述的电极板、球形薄膜内表面上的导电薄层以及油液三部分在靠近底部区域构成一个电容，电源正极的驱动端口对左侧第m（1≤m≤n）片电极板供电时，在球形运动机构的左下角区域构成一个匀强电场；利用压电薄膜在电场作用下产生弯曲作动的特点，使处在该电场中的压电薄膜产生弯曲变形，从而迫使左下角区域的球形薄膜产生弯曲变形，具体为向右上方弯曲，变形后的球形薄膜推动在其内部的油液，油液在推力的作用下向右平移，油液作用于球形薄膜的右侧，同时使球形薄膜右侧产生对应的弯曲变形，具体为向右下方弯曲，因此整个球形运动机构向右滚动一小段距离；由于位于电场区域的压电薄膜产生了变形，改变了电容间的间隙，从而改变了电场的强度，同时球形薄膜被迫向右运动带着该部分的压电薄膜运动且离开左下角处的局部电场，因此下一区域的压电薄膜将进入该电场中，同时迫使下一区域的球形薄膜上的导电薄层与电极板重新构成新的电容，相应区域的压电薄膜产生弯曲作动，再一次驱动整个球形运动机构滚动一小段距离，不断重复上述过程，从而迫使球形运动机构不断向右运动。

利用压电薄膜在电场作用下的弯曲作动效应，使与其粘贴在一起的球形薄膜弯曲变形，并在与油液的相互作用下驱动球形机构运动，使得球形运动机构无需前后轮及其支撑结构，不需要电机、车体框架等结构，有效的减轻了运动机构的重量，使其重量轻、机动灵活、负重更多、提高了地面移动机器人的越障能力；同时压电薄膜响应快，能耗低，可以提高球形运动机构的工作时间和使用寿命。

所述的球形运动机构，其特征在于：上述电极板与球形薄膜底部变形后曲率最大处的曲率相等，使得电极板各处与球形薄膜内表面法向间距相等，保证每片电极板通电后与球形薄膜内表面的导电薄层构成的电容内部形成匀强电场。

所述的球形运动机构，其特征在于：上述n为偶数，通过调整对电源正极不同驱动端口供电，使得球形运动机构可以左右对称的调整运动方向，调整方向的精度为2π/n。

所述的球形运动机构，其特征在于：上述球形薄膜、导电薄层和压电薄膜均为透明材质，使得可以在内部悬浮装置上安装探测器。

所述的球形运动机构，其特征在于：上述悬浮机构由质量轻的非金属材料制成，外形设置为底部空间大，上端空间小的不倒翁形状，使得悬浮装置在油液中不易倾倒，保证内部驱动装置的正常工作。

附图说明

    图1是球形运动机构结构示意图；

    图2是压电薄膜阵列粘贴示意图；

    图3是悬浮机构及电极板结构示意图；

图4是电极板分区示意图；

图5是电源及上、下配重块的正视图；

图6是电源及上、下配重块的剖视图；

图7内部悬浮机构结构示意图；

图8是球形薄膜内注入油液置于地面变形后的剖视图；

图9是球形薄膜运动原理图；

图10是球形运动机构运动示意图；