[发明专利]一种混合驱动型南极科考球形机器人

说明书

技术领域

本发明隶属于特种机器人领域，涉及的是一种机器人，具体涉及是一种混合驱动型南极科考球形机器人，依靠风力和内部驱动进行运动，可用于南极大陆未知环境的环境侦查，也可以用于娱乐、军事、运输等领域，具有良好的环境适应性和功能拓展性。

背景技术

南极科考在国家政治领土、军事战略、能源安全、气候环境等方面具有重要的战略意义，目前许多国家都已经开始对南极地区进行探索研究，但是由于物资保障、交通工具、天气恶劣等原因的限制，科考范围只集中于靠近海岸的地区，南极大部分的地方还未被考察过。

智能机器人的应用大大提高了南极科考的工作效率，扩展了科考人员的活动范围，也减少了科考人员外出活动的危险性。但是大部分的机器人都是采用电池或燃料发动机来提供动力，这就大大限制机器人活动范围，并且可能造成污染问题，影响南极脆弱的外部环境。在南极有着丰富的太阳能和风能资源，如果对之加以利用，可以实现机器人在南极“无限”续航漫游。

球形机器人在许多国家的科研领域目前还是一个较新的概念，而且与轮式和足式机器人相比具有一定的优势，特别是对环境的适应性，所以研究球形机器人具有很高的应用价值。球形机器人是一种具有球形外壳的机器人。球形机器人最大的特点是运动方式特殊，球形的外壳将使机器人能在失稳后获得最大的稳定性，因此不怕翻倒，与轮子只能在一个方向上滚动不同，它能够在一个平面的任何方向上做滚动运动。同时，在其内部装备各种不同功能的传感器和执行器，就能够使机器人具有所需的各种智能功能。

经对国内外现有技术的专利文献检索发现，现有的球形机器人基本上都是通过内部驱动形式来实现机器人运动，如战强的“BHQ-2”，孙汉旭的“BYQ-Ⅲ”和哈工大的“HIT”均是通过2个驱动电机控制质量块的运动，产生偏心力矩实现转动。这些球形机器人虽然可以实现自主运动，但用于环境探测时，必须携带充足的供电供能装置为机器人提供动力。但对于南极环境时，基本上条件就不允许能为机器人提供足够充足的能源，一旦球形机器人内部能源耗尽，无法得到能源补给，机器人将失去继续科考的作用。同时内部驱动式球形机器人由于内部驱动装置的重量很大，不仅消耗的能源更多，而且大大限制机器人的运动性能和活动范围，难以实现南极环境下长距离的环境探测工作。

国外的NASA和JPL致力于火星探测工作而研制了完全风驱式球形机器人，如Tumbleweed Rover，Hamster-Ball和Tumble-Cup等。完全风驱式球形机器人虽然解决了能源供给问题，但机器人运动完全依赖风力作用，运动完全不可控制，当机器人陷入困境时，不能自主脱困，在实际应用中难以得到推广。

发明内容

本发明的目的在于针对以上问题，提出一种混合驱动型南极科考球形机器人，具有结构简洁、易于装配，能耗低，且对球体内部空间占用率少等特点。通过外界风力驱动球形机器人运动，当机器人陷入困境，如遇到无法越过的障碍或是卡在沟渠中时，可以通过改变内部驱动装置位置调整机器人运动状态，以越过或避开障碍，达到摆脱困境的目的。

为了达到上述要求，本发明的构思是：

本发明通过完全对称布置内部驱动装置，避免球形机器人的初始状态不平衡问题；同时，通过使用柔性球壳增加机器人的环境适应性；球形机器人通过外界风力进行驱动，避免耗能大问题，并且通过太阳能电池薄膜进行电池充电，使机器人能实现南极长距离的探测工作；球形机器人可以通过内部驱动装置改变机器人运动状态，具有一定的自主性。

根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案：

一种混合驱动型南极科考球形机器人。该机器人主要包括一个柔性球壳、内部驱动装置和太阳能电池薄膜，所述透明柔性球壳通过其上的充气口进行充气，并通过其上的密封拉链处进行内部驱动装置的安装；所述内部驱动装置包括导向丝杠、直线步进电机、低温电池配重、控制系统装置和端部联接装置，导向丝杠通过端部联接装置与柔性球壳固定，直线步进电机套配在导向丝杠上而可以沿导向丝杠移动驱动球壳运动；所述太阳能电池薄膜贴合在柔性球壳内表面进行能量的采集，为低温电池配重不断充电，实现机器人长时间正常工作。所述外部刚性球壳选择透明材料，有利于观察内部结构，且外形美观。同时外部刚性球壳两端开口，通过紧定螺钉与两个支承圆盘固定连接。

所述柔性球壳选择透明材料，有利于太阳能电池薄膜高效率转换太阳能；同时在柔性球壳的外表面粘连许多小凸点，可以增加机器人抓地力，避免出现打滑现象。

所述端部联接装置由端部固定凸台和端部连接板组成，端部固定凸台与柔性球壳内表面粘合固连；端部连接板通过螺栓与端部固定凸台连接。