多翼帆极地探测机器人的制作方法

多翼帆极地探测机器人的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及探测机器人领域，特别是一种多翼帆极地探测机器人。
【背景技术】
[0002]多翼帆极地探测机器人是风力直接驱动的移动机器人，通过多个翼帆受风产生机器人运动的驱动力，实现机器人在冰雪面上移动来完成极地探测，其活动范围广，续航时间长。
[0003]查阅现有国内外文献发现，现有极地探测机器人包括履带式极地冰雪面移动机器人、球形机器人、低空固定翼飞行机器人，但大部分都是采用电池或燃料发动机来提供动力，受制于机器人所携带的电池或燃料的数量限制，这些探测机器人的活动范围还是非常有限，尚不能实现较长时间、大范围(方圆数百公里)续航，因而仍不能满足南极科考所需大时空续航能力的要求。
在南极，风力资源十分丰富，具有分布范围广、平均风速高(最大风速能达160km/h)等特点。如果采用南极自然环境中，可以说是“取之不尽，用之不竭”的风能作为驱动能源，机器人的活动将不再受能源因素的制约，从而大大扩大活动范围和活动时间，甚至可以实现机器人在冰盖中的“无限”续航探测。
[0004]查阅现有国内外文献发现，现有利用风能的方式主要为风力发电技术，但现有风力发电技术一般只适用于4m/s?16m/s的风速范围(当风速过高时，通常采取制动措施)、其转换效率一般不到30%，而在南极平均风速高，20m/s?30m/s属于常见风速，越往南极内陆深入风越大，并且由于南极环境恶劣，机器人所需驱动功率往往是正常所需功率的5?10倍。

【发明内容】

[0005]本发明的目的在于针对已有技术存在缺陷，提供一种多翼帆极地探测机器人，以满足翼帆受风直接驱动、多个翼帆同步转动、翼帆攻角反馈控制、框架式支撑的流线型外壳结构多项技术要求，结构紧凑，控制简单，自身负载小，运动范围广，续航时间长。
[0006]为实现上述目的，本发明的构思是:
设计一个安装有多个翼帆的四轮移动机器人，机架是由框架式的船身和前端弧形的船壳组成的船体，船身采用铝型材连接而成。机器人由多个翼帆提供驱动力，前轮转向。翼帆通过反向安装的轴承座与船体连接，翼帆可相对于船体绕各其沿Z向的轴线转动。风向风速仪安装于机器人顶端，实时获取机器人所处环境的风向风速信息，反馈给控制系统后实现多个翼帆攻角的闭环控制。翼帆间通过同步带实现同步转动，而为保证各翼帆相对于船体的位置相同，其安装结构中设计有初始安装定位板。为保证翼帆间相对位置准确，设计底端、中部和顶端定位板，使翼帆在机器人运动过程中不会发生偏移，提供机器人运动的最佳驱动力，各定位板均固定安装于船体上并通过定位轴使定位板上的翼帆安装孔同轴。
[0007]根据上述发明构思，本发明采用下述技术方案: 一种多翼帆极地探测机器人，它包括一个船体、一个前轮转向机构、一个翼帆同步转动机构、三个翼帆转动安装机构、三块翼帆、一块底端翼帆定位板、一块中部翼帆定位板和一块顶端翼帆定位板和一个风向风速仪。所述前轮转向机构是一个平行四边形机构，用螺钉和T型螺母固定安装于所述船体上，通过舵机驱动所述前轮转向机构，实现多翼帆极地探测机器人绕轴线Z的转向运动。所述翼帆通过环形螺钉组分别固定于所述翼帆转动安装机构，所述翼帆转动安装机构采用键和轴用挡圈与所述翼帆同步转动机构连接，所述翼帆转动安装机构安装于所述船体，通过所述伺服电机驱动一个小带轮，实现所述翼帆相对于所述船体的同步转动。所述底端翼帆定位板和中部翼帆定位板用T型螺母和法兰螺母与所述船体固定连接，所述顶端翼帆定位板通过轴承座与所述翼帆构成轴线Z方向上的固定连接，所述风向风速仪固定安装于所述顶端翼帆定位板。
[0008]所述船体由一个船身和一个船壳以螺钉旋配而成；根据所述翼型的“品”字型分布特点，所述船身是由铝型材搭建的“十”字型框架式结构，所述船壳前端采用弧形结构。
[0009]所述翼帆同步转动机构是:一个小带轮通过一条短同步带连接一个大带轮，所述大带轮与一个小带轮同轴安装，所述小带轮通过一条长同步带连接两个小带轮；所述伺服电机驱动所述小带轮，实现所述大带轮和小带轮的同步转动，即所述翼帆间的同步转动；靠近所述伺服电机相连的所述小带轮的所述短同步带外侧安装有一个张紧隋轮，在靠近所述大带轮的所述长同步带外侧安装有两个张紧隋轮。
[0010]所述翼帆转动安装机构是:一个FL005轴承座固定安装于所述中部翼帆定位板，一个FL004轴承座固定安装于一个FL004安装板，所述FL004安装板与所述船身固定连接；一个主轴采用反向安装方式与所述FL005轴承座和所述FL004轴承座构成转动连接，一个主轴延长轴通过螺钉与所述主轴固定连接，一个翼帆初始安装定位板与所述螺钉头轴孔配合后插入所述底端翼帆定位板，保证翼帆相对于所述船体的初始位置相同。
[0011]两根定位板相对定位轴连接所述底端翼帆定位板、FL004安装板和中部翼帆定位板；一根线管连接所述中部翼帆定位板和所述顶端翼帆定位板，所述风向风速仪的数据线穿过所述线管接至控制系统。
[0012]本发明与现有技术相比较，具有如下显而易见的突出实质性特点和显著优点:
1、本发明多翼帆极地探测机器人由风力直接驱动，多个翼帆受风产生机器人运动的驱动力，动力源充足，机器人运动范围广，续航时间长。
[0013]2、本发明多翼帆极地探测机器人的翼帆通过同步带传动，翼帆同步转动，可避免复杂的翼帆间相对位置变化造成的空气动力特性影响，控制简单，便于获得有效驱动力；并且通过翼帆初始安装定位板使多个翼帆间的初始位置相同，同步运动过程中，翼帆间的位置同步准确。
[0014]3、本发明多翼帆极地探测机器人通过风向风速仪实时获取环境风信息，反馈至控制系统使伺服电机驱动翼帆转动，调节攻角，构成翼帆攻角调节的闭环控制，以保证提供最大的驱动力且不会使机器人发生倾覆，机器人运动平稳。
[0015]4、本发明多翼帆极地探测机器人的多个翼帆相对位置通过底端翼帆定位板、中部翼帆定位板和顶端翼帆定位板确定，翼帆间的位置不易发生改变，能够保持最大驱动力的最佳间距，机器人控制策略的有效性长。
[0016]5、本发明多翼帆极地探测机器人的机架由铝型材的框架式结构和弧形壳体组成，结构紧凑而轻便，自身负载小，前进阻力小，机器人运动灵活，启动风速小。
【附图说明】
[0017]图1是本发明一个实施例的结构示意图。
[0018]图2是图1中A区的局部放大图。
[0019]图3是图1中仰视图。
[0020]图4是图2的主视图。
[0021]图5是图4的局部放大图。
【具体实施方式】
[0022]本发明的优选实施例结合附图详述如下:
实施例一:
参考图1?图3，本多翼帆极地探测机器人，它包括一个船体1、一个前轮转向机构I1、一个翼帆同步转动机构IV、三个翼帆转动安装机构IIIA、IIIB、IIIC、三块翼帆1_A、1_B、1-C、一块底端翼帆定位板7、一块中部翼帆定位板8和一块顶端翼帆定位板3和一个风向风速仪4。所述前轮转向机构II是一个平行四边形机构，用螺钉和T型螺母固定安装于所述船体I上，通过所述舵机5驱动所述前轮转向机构II，实现多翼帆极地探测机器人绕轴线Z的转向运动。所述翼帆1-A、1-B、1-C通过环形螺钉组分别固定于所述翼帆转动安装机构IIIA、IIIB、IIIC，所述翼帆转动安装机构IIIA、IIIB、IIIC采用键和轴用挡圈与所述翼帆同步转动机构IV连接，所述翼帆转动安装机构IIIA、IIIB、IIIC安装于所述船体I，通过所述伺服电机6驱动一个小带轮IV-4-D，实现所述翼帆1-A、1-B、1-C相对于所述船体I的同步转动。所述底端翼帆定位板7和中部翼帆定位板8用T型螺母和法兰螺母与所述船体I固定连接，所述顶端翼帆定位板3通过轴承座与所述翼帆1-A、1-B、1-C构成轴线Z方向上的固定连接，所述风向风速仪4固定安装于所述顶端翼帆定位板3。
[0023]实施例二:
本实施例与实施例一基本相同，特别之处如下:
所述船体I由一个船身1-1和一个船壳1-2以螺钉旋配而成；根据所述翼型1-A、1-B、1-C的“品”字型分布特点，所述船身1-1是由铝型材搭建的“十”字型框架式结构，所述船壳1-2前端采用弧形结构。
[0024]所述翼帆同步转动机构IV是:一个小带轮IV-4-D通过一条短同步带IV_5连接一个大带轮IV-1，所述大带轮IV-1与一个小带轮IV-4-B同轴安装，所述小带轮IV-4-B通过一条长同步带IV-3连接两个小带轮IV-4-A、IV-4-C ;所述伺服电机6驱动所述小带轮IV-4-D，实现所述大带轮IV-1和小带轮IV-4-A、IV_4_B、IV-4-C的同步转动，即 所述翼帆1-AU-BU-C间的同步转动；靠近所述伺服电机6相连的所述小带轮IV-4-D的所述短同步带IV-5外侧安装有一个张紧隋轮IV-2-A，在靠近所述大带轮IV-1的所述长同步带IV-3外侧安装有两个张紧隋轮IV-2-B、IV-2-C。
[0025]所述翼帆转动安装机构IIIA、IIIB、IIIC是:一个FL005轴承座IIIC-3固定安装于所述中部翼帆定位板8，一个FL004轴承座IIIC-4固定安装于一个FL004安装板IIIC-1，所述FL004安装板IIIC-1与所述船身1-1固定连接；一个主轴IIIC-2采用反向安装方式与所述FL005轴承座IIIC-3和所述FL004轴承座IIIC-4构成转动连接，一个主轴延长轴IIIC-5通过螺钉与所述主轴IIIC-2固定连接，一块翼帆初始安装定位板IIIC-7与所述螺钉IIIC-6头轴孔配合后插入所述底端翼帆定位板7，保证翼帆1-A、1-B、1-C相对于所述船体I的初始位置相同。
[0026]两根定位板相对定位轴IIIC-9-A、IIIC-9-B连接所述底端翼帆定位板7、FL004安装板IIIC-1和中部翼帆定位板8 ;一根线管2连接所述中部翼帆定位板8和所述顶端翼帆定位板3，所述风向风速仪4的数据线穿过所述线管2接至控制系统。
[0027]实施例三:
如图1所示，所述船体I由一个船身1-1和一个船壳1-2以螺钉旋配而成；所述船身1-1是由铝型材搭建的“十”字型框架式结构，便于控制系统、电源系统和传感系统安装且可减轻自身质量，机器人惯性小，启停性能好；所述船壳1-2前端采用弧形结构，机器人前进时，空气阻力小。
[0028]—个风向风速仪4与所述顶端翼帆定位板3固定连接，该风向风速仪9实时获取环境风的信息，反馈至控制系统使所述伺服电机6驱动所述小带轮IV-4-D，该小带轮IV-4-D通过一个短同步带IV-5连接一个大带轮IV-1，所述大带轮IV-1与一个小带轮IV-4-B同轴安装，所述小带轮IV-4-B通过一条长同步带IV-3连接两个小带轮IV-4-A、IV-4-C。所述小带轮IV-4-A、IV-4-B、IV-4-C分别通过所述翼帆转动安装结构IIIA、IIIB、IIIC与所述翼帆1-A、1-B、1-C固定连接，所述小带轮IV-4-A、IV-4-B、IV-4-C同步转动，即可实现所述翼帆1-A、1_B、1-C攻角实时同步调节，构成翼帆攻角调节闭环控制，以保证提供最大的驱动力且不会使机器人发生倾覆，机器人运动平稳。
[0029]一块翼帆初始安装定位板IIIC-7与所述螺钉IIIC-6头轴孔配合后插入所述底端翼帆定位板7，保证多个翼帆1-A、1-B、1-C的初始位置相同。该翼帆初始安装定位板IIIC-7可保证所述翼帆同步转动机构IV安装于所述翼帆转动安装机构IIIC时，所述翼帆1-C相对于所述船体I位置不变，并且可保证多翼帆极地探测机器人不执行任务时，所述翼帆1-C可调回初始位置。多翼帆极地探测机器人执行探测任务时，卸下所述翼帆初始安装定位板IIIC-7，使所述翼帆1-C与所述小带轮IV-4-C同步转动。
[0030]多个翼帆1-A、1-B、1-C相对位置通过所述底端翼帆定位板3、中部翼帆定位板7和顶端翼帆定位板8确定，所述底端翼帆定位板7、中部翼帆定位板8和顶端翼帆定位板3均固定安装于所述船体I上并通过所述定位轴IIIC-9-A、IIIC-9-B使所述底端翼帆定位板7、中部翼帆定位板8和顶端翼帆定位板3上的翼帆安装孔同轴。
[0031]翼帆间的相对位置准确且不易发生改变，能够保持最大驱动力的最佳间距，多翼帆极地探测机器人控制策略的有效性长。
[0032]以上【具体实施方式】用来解释说明本发明，而不是对发明进行限制，在本发明的精神和权利要求的保护范围内，对本发明做出的任何修改和改变，都落在本发明的保护范围。
【主权项】
1.一种多翼帆极地探测机器人，包括一个船体(I)、一个前轮转向机构(II)、一个翼帆同步转动机构(IV )、三个翼帆转动安装机构(IIIA、IIIB、IIIC)、三块翼帆(1-A、1-B、1-C )、一块底端翼帆定位板(7)、一块中部翼帆定位板(8)、一块顶端翼帆定位板(3)和一个风向风速仪(4)，其特征在于: a.所述前轮转向机构(II)是一个平行四边形机构，用螺钉和T型螺母固定安装于所述船体(I)上，通过舵机(5)驱动所述前轮转向机构(II)，实现多翼帆极地探测机器人绕轴线Z的转向运动； b.所述翼帆(1-A、1-B、1-C)通过环形螺钉组分别固定于所述翼帆转动安装机构(IIIA, ΙΙΙΒ、IIIC)，所述翼帆转动安装机构(ΙΙΙΑ、ΙΙΙΒ、IIIC)采用键和轴用挡圈与所述翼帆同步转动机构(IV)连接，所述翼帆转动安装机构(ΙΙΙΑ、ΙΙΙΒ、IIIC)安装于所述船体(I)，通过伺服电机(6)驱动一个小带轮(IV-4-D)，实现所述翼帆(1-Α、1-Β、1-C)相对于所述船体(I)的同步转动； c.所述底端翼帆定位板(7)和中部翼帆定位板(8)用T型螺母和法兰螺母与所述船体(I)固定连接，所述顶端翼帆定位板(3)通过轴承座与所述翼帆(1-A、1-B、1-C)构成轴线Z方向上的固定连接，所述风向风速仪(4 )固定安装于所述顶端翼帆定位板(3 )。2.根据权利要求1所述的多翼帆极地探测机器人，其特征在于，所述船体(I)由一个船身(1-1)和一个船壳(1-2)以螺钉旋配而成；根据所述翼型(1-A、1-B、1-C)的“品”字型分布特点，所述船身(1-1)是由铝型材搭建的“十”字型框架式结构，所述船壳(1-2)前端采用弧形结构。3.根据权利要求1所述的多翼帆极地探测机器人，其特征在于，所述翼帆同步转动机构(IV)是:一个小带轮(IV-4-D)通过一条短同步带(IV-5)连接一个大带轮(IV-1)，所述大带轮(IV-1)与一个小带轮(IV-4-B)同轴安装，所述小带轮(IV-4-B)通过一条长同步带(IV-3)连接两个小带轮(IV-4-A、IV-4-C);所述伺服电机(6)驱动所述小带轮(IV-4-D)，实现所述大带轮(IV-1)和小带轮(IV-4-A、IV-4-B、IV-4-C)的同步转动，即所述翼帆(1_A、1-B、1-C)间的同步转动；靠近所述伺服电机(6)相连的所述小带轮(IV-4-D)的所述短同步带(IV-5)外侧安装有一个张紧隋轮(IV-2-A)，在靠近所述大带轮(IV-1)的所述长同步带(IV-3)外侧安装有两个张紧隋轮(IV-2-B、IV-2-C)。4.根据权利要求1所述的多翼帆极地探测机器人，其特征在于，所述翼帆转动安装机构(IIIA、IIIB、IIIC)是:一个FL005轴承座(IIIC-3)固定安装于所述中部翼帆定位板(8)，一个FL004轴承座(IIIC-4)固定安装于一个FL004安装板(IIIC-1)，所述FL004安装板(IIIC-1)与所述船身(1-1)固定连接；一个主轴(IIIC-2)采用反向安装方式与所述FL005轴承座(IIIC-3)和所述FL004轴承座(IIIC-4)构成转动连接，一个主轴延长轴(IIIC-5)通过螺钉与所述主轴(IIIC-2)固定连接，一个翼帆初始安装定位板(IIIC-7)与所述螺钉(11106)头轴孔配合后插入所述底端翼帆定位板(7)，保证翼帆(14、1-8、1-0相对于所述船体(I)的初始位置相同。5.根据权利要求1所述的多翼帆极地探测机器人，其特征在于，两根定位板相对定位轴(IIIC-9-A、IIIC-9-B)连接所述底端翼帆定位板(7)、FL004安装板(IIIC-1)和中部翼帆定位板(8);—根线管(2)连接所述中部翼帆定位板(8)和所述顶端翼帆定位板(3)，所述风向风速仪(4)的数据线穿过所述线管(2)接至控制系统。
【专利摘要】本发明公开了一种多翼帆极地探测机器人。它包括一个船体、一个前轮转向机构、一个翼帆同步转动机构、三个翼帆转动安装机构、三块翼帆、三块翼帆定位板和一个风向风速仪。通过所述舵机驱动所述前轮转向机构实现多翼帆极地探测机器人绕轴线Z的转向运动。所述翼帆固定于所述翼帆转动安装机构，固定在所述船体上的所述翼帆转动安装机构与所述翼帆同步转动机构固定连接，通过所述伺服电机转动实现所述翼帆相对于所述船体的同步运动。所述中部翼帆定位板和底端翼帆定位板与所述船体固定，支撑所述风向风速仪的所述顶端翼帆定位板与所述翼帆构成轴线Z方向上的固定连接。本发明结构紧凑，运动平稳，运动范围广，续航时间长。
【IPC分类】B25J11/00
【公开号】CN104889993
【申请号】CN201510335920
【发明人】谢少荣, 冯凯, 陈继清, 罗均, 吴翔, 程启兴
【申请人】上海大学
【公开日】2015年9月9日
【申请日】2015年6月17日