地面巡視球形探測器及其工作方式的制作方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種地面巡視球形探測器及其運動方式，屬于地面移動機器人探測【技術(shù)領(lǐng)域】。它包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的透明球形薄膜、懸浮機構(gòu)、探測頭；上述懸浮機構(gòu)內(nèi)安裝有電源，懸浮機構(gòu)外圈沿圓周方向均勻貼有n片電極板；上述透明球形薄膜的內(nèi)表面噴涂有透明導(dǎo)電薄層，透明導(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透明壓電薄膜；透明球形薄膜由于內(nèi)部油液和懸浮機構(gòu)重力作用，底部變形。本發(fā)明利用在電極板與其對應(yīng)的透明球形薄膜區(qū)域之間形成的局部電場，使設(shè)置在相應(yīng)區(qū)域的透明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)動透明球形薄膜變形并滾動，它可以在運動過程中進(jìn)行現(xiàn)場視頻采集。
【專利說明】地面巡視球形探測器及其工作方式
[0001]
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0002]本發(fā)明涉及一種地面探測機器人，具體是一種地面巡視球形探測器及其工作方式。
【背景技術(shù)】
[0003]探測技術(shù)是信息獲取的主要手段之一，面對各種復(fù)雜、危險環(huán)境使用傳統(tǒng)偵查的方式不僅難以將實時數(shù)據(jù)傳送回指揮部門，而且無法確保偵查人員的安全，因此目前急需一種能夠快速進(jìn)入各種復(fù)雜、危險環(huán)境并實時取得偵查數(shù)據(jù)的探測器，保證指揮部門能夠?qū)崟r全面的掌握偵查現(xiàn)場的具體情況。
[0004]傳統(tǒng)的地面探測器設(shè)置有框架等車體結(jié)構(gòu)，其行走機構(gòu)的基本驅(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，可以從機器人的行走機構(gòu)及驅(qū)動方式上尋求突破，保證地面移動機器人具有良好運動性能的前提下，降低地面移動機器人的重量，提高地面移動機器人的越障能力。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005]本發(fā)明旨在研發(fā)一種地面巡視球形探測器及其工作方式，具有結(jié)構(gòu)簡單、成本低、無噪音、小型化、越障能力高、安全性高、機動性能強以及環(huán)境適應(yīng)性強等優(yōu)點。
[0006]一種地面巡視球形探測器，其特征在于:包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的透明球形薄膜，還包括位于透明球形薄膜內(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構(gòu)，還包括安裝于懸浮機構(gòu)上的探測頭；上述懸浮機構(gòu)由外圈、上配重塊、下配重塊組成；懸浮機構(gòu)內(nèi)安裝有電源，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 π /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)；上述透明球形薄膜的內(nèi)表面噴涂有透明導(dǎo)電薄層，透明導(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透明壓電薄膜，且相鄰的兩片透明壓電薄膜之間具有防止彎曲變形相互影響的安全間隙，透明導(dǎo)電薄層與電源負(fù)極連接；透明球形薄膜由于內(nèi)部油液和懸浮機構(gòu)重力作用，底部變形；所述的電極板正好靠近透明球形薄膜底部變形后曲率最大處。
[0007]所述的地面巡視球形探測器的工作方式，其特征在于:所述的電極板、透明球形薄膜內(nèi)表面上的透明導(dǎo)電薄層以及油液三部分在地面巡視球形探測器靠近底部區(qū)域構(gòu)成一個電容，當(dāng)電源正極的驅(qū)動端口對第m (I < m < η)片電極板供電時，在此電容間形成一個勻強電場；利用透明壓電薄膜在電場作用下產(chǎn)生彎曲作動的特點，當(dāng)電源對左側(cè)的第m(I η)片電極板供電時，在地面巡視球形探測器的左下角區(qū)域構(gòu)成一個勻強電場，使處在該電場中的透明壓電薄膜產(chǎn)生彎曲變形，從而迫使左下角區(qū)域的透明球形薄膜產(chǎn)生彎曲變形，具體為向右上方彎曲，變形后的透明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，油液作用于透明球形薄膜的右側(cè)，同時使透明球形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個地面巡視球形探測器向右滾動一小段距離；由于位于電場區(qū)域的透明壓電薄膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場的強度，同時透明球形薄膜被迫向右運動帶著該部分的透明壓電薄膜運動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的透明壓電薄膜將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(qū)域的透明球形薄膜上的透明導(dǎo)電薄層與電極板重新構(gòu)成新的電容，相應(yīng)區(qū)域的透明壓電薄膜產(chǎn)生彎曲作動，再一次驅(qū)動整個地面巡視球形探測器滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使地面巡視球形探測器不斷向右運動；在地面巡視球形探測器運動過程中，油液始終在透明球形薄膜內(nèi)處于水平狀態(tài)，透明球形薄膜內(nèi)的懸浮機構(gòu)為底部空間大，上端空間小的不倒翁的形狀，懸浮機構(gòu)靜止的懸浮在油液中，位于透明球形薄膜的球心處，且下配重塊的質(zhì)量大于上配重塊的質(zhì)量，使得懸浮機構(gòu)的重心靠近底部而不會發(fā)生傾倒，即地面球形探測器的運動不影響內(nèi)部懸浮機構(gòu)的驅(qū)動工作及探測工作，因此安裝于懸浮機構(gòu)上的探測頭可以在運動過程中進(jìn)行視頻及圖形采集等偵查工作。
[0008]本發(fā)明利用透明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透明球形薄膜彎曲變形，并在與油液的相互作用下驅(qū)動地面巡視球形探測器運動，使得地面巡視球形探測器無需前后輪及其支撐結(jié)構(gòu)，不需要電機、車體框架等結(jié)構(gòu)，有效的減輕了運動機構(gòu)的重量，使其重量輕、機動靈活、負(fù)重更多、提高了地面巡視球形探測器的越障能力；同時透明壓電薄膜響應(yīng)快，能耗低，可以提高球形運動的工作時間和使用壽命。
[0009]所述的地面巡視球形探測器，其特征在于:上述電極板與透明球形薄膜底部變形后曲率最大處的曲率相等，使得電極板各處與透明球形薄膜內(nèi)表面法向間距相等，保證每片電極板通電后與透明球形薄膜內(nèi)表面的透明導(dǎo)電薄層構(gòu)成的電容內(nèi)部形成勻強電場。
[0010]所述的地面巡視球形探測器，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，使得球形運動機構(gòu)可以左右對稱的調(diào)整運動方向，調(diào)整方向的精度為2 /η。
[0011]所述的地面巡視球形探測器，其特征在于:上述懸浮機構(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，使得懸浮裝置在油液中不易傾倒，保證內(nèi)部驅(qū)動裝置和探測頭的正常工作。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0012]圖1是地面巡視球形探測器結(jié)構(gòu)示意圖；
圖2是透明壓電薄膜陣列粘貼示意圖；
圖3是懸浮機構(gòu)外圈及電極板結(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是懸浮機構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖；
圖8是透明球形薄膜內(nèi)注入油液置于地面變形后的剖視圖；
圖9是透明球形薄膜運動原理圖；
圖10是地面巡視球形探測器運動示意圖； 其中1-上配重塊,2-電源，3-下配重塊，4-電極板，5-懸浮機構(gòu)，6-油液，7-透明壓電薄膜，8-透明導(dǎo)電薄層，9-透明球形薄膜，10-外圈，11-螺栓，12-探測頭。
【具體實施方式】
[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:
一種地面巡視球形探測器，包括透明球形薄膜、透明導(dǎo)電薄層、透明壓電薄膜、油液、懸浮機構(gòu)、電源、上配重塊、下配重塊、電極板、外圈、探測頭和螺栓，結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。所述的透明球形薄膜的內(nèi)表面噴涂有透明導(dǎo)電薄層，透明導(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透明壓電薄膜，且相鄰的兩片透明壓電薄膜之間具有防止彎曲變形相互影響的安全間隙，透明導(dǎo)電薄層與電源負(fù)極連接，其具體布置方式如圖2所示；所述的透明球形薄膜內(nèi)注入1/3至1/2高度的油液，以保證懸浮機構(gòu)靜止懸浮在油液中，并且使得電極板靠近透明球形薄膜變形后底部曲率最大處，使得整個懸浮裝置位于透明球形薄膜球心處；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；懸浮機構(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 /n角度的方向調(diào)整，電極板在懸浮機構(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，使得整個懸浮機構(gòu)的重心靠近底部，如圖5和圖6所示；所述的懸浮機構(gòu)包括外圈、電源、上配重塊、下配重塊、電極板、螺栓和探測頭，其中電源、上配重塊、下配重塊通過三組螺栓與懸浮機構(gòu)固定連接，探測頭與上配重塊上端通過螺紋連接固定在懸浮機構(gòu)上，如圖7所示；所述的透明球形薄膜內(nèi)部注入1/3至1/2高度的油液，透明球形薄膜由于內(nèi)部油液和懸浮機構(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透明球形薄膜底部變形后曲率最大處。
[0014]當(dāng)?shù)孛嫜惨暻蛐翁綔y器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、透明球形薄膜內(nèi)表面上的透明導(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Hi(KmSn)片電極板供電時，在球形運動機構(gòu)的左下角區(qū)域構(gòu)成一個勻強電場透明壓電薄膜處在勻強電場中；利用透明壓電薄膜在電場作用下的彎曲作動效應(yīng)，使處在該電場中的透明壓電薄膜產(chǎn)生彎曲變形，從而迫使左下角區(qū)域的透明球形薄膜產(chǎn)生彎曲變形，具體為向右上方彎曲，變形后的透明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，油液作用于透明球形薄膜的右側(cè)，同時使透明球形薄膜右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個球形運動機構(gòu)向右滾動一小段距離；由于位于電場區(qū)域的透明壓電薄膜產(chǎn)生了變形，改變了電容間的間隙，從而改變了電場的強度，同時透明球形薄膜被迫向右運動帶著該部分的透明壓電薄膜運動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的透明壓電薄膜將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(qū)域的透明球形薄膜上的透明導(dǎo)電薄層與電極板重新構(gòu)成新的電容，如圖9所示，相應(yīng)區(qū)域的透明壓電薄膜產(chǎn)生彎曲作動，再一次驅(qū)動整個球形運動機構(gòu)滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使球形運動機構(gòu)不斷向右運動；其具體運動過程如圖10所示；在地面巡視球形探測器運動過程中，油液始終在透明球形薄膜內(nèi)處于水平狀態(tài)，透明球形薄膜內(nèi)的懸浮機構(gòu)為底部空間大，上端空間小的不倒翁的形狀，懸浮機構(gòu)靜止的懸浮在油液中，位于透明球形薄膜的球心處，且下配重塊的質(zhì)量大于上配重塊的質(zhì)量，使得懸浮機構(gòu)的重心靠近底部而不會發(fā)生傾倒，即地面球形探測器的運動不影響內(nèi)部懸浮機構(gòu)的驅(qū)動工作及探測工作，因此安裝于懸浮機構(gòu)上的探測頭可以在運動過程中進(jìn)行視頻及圖形采集等偵查工作；根據(jù)運動過程中探測頭捕捉到的地面環(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)控球形運動機構(gòu)的運動速度；經(jīng)探測頭捕捉發(fā)現(xiàn)前方有不可跨越的困難障礙物時，可以控制調(diào)整電源正極對不同驅(qū)動端口的電極板供電以調(diào)控地面巡視球形探測器的運動方向，由于電極板分為η片圓周陣列在懸浮機構(gòu)的外圈，所以可以實現(xiàn)2 π /n的小角度的運動方向的改變，實現(xiàn)對球形運動機構(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】
1.一種地面巡視球形探測器，其特征在于: 包括呈全封閉結(jié)構(gòu)的透明球形薄膜(9)，還包括位于透明球形薄膜(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)中的懸浮機構(gòu)(5)，還包括安裝于懸浮機構(gòu)(5)上的探測頭(12); 上述懸浮機構(gòu)(5 )由外圈(10 )、上配重塊(I)、下配重塊(3 )組成；懸浮機構(gòu)(5 )內(nèi)安裝有電源(2),外圈(10)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 /η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)； 上述透明球形薄膜(9)的內(nèi)表面噴涂有透明導(dǎo)電薄層(8)，透明導(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透明壓電薄膜(7)，且相鄰的兩片透明壓電薄膜(7)之間具有防止彎曲變形相互影響的安全間隙，透明導(dǎo)電薄層(8)與電源(2)負(fù)極連接； 透明球形薄膜(9)由于內(nèi)部油液(6)和懸浮機構(gòu)(5)重力作用，底部變形；所述的電極板(4 )正好靠近透明球形薄膜(9 )底部變形后曲率最大處。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面巡視球形探測器，其特征在于: 上述電極板(4)與透明球形薄膜(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所述的地面巡視球形探測器，其特征在于: 上述η為偶數(shù)。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面巡視球形探測器，其特征在于: 上述懸浮機構(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。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的地面巡視球形探測器的運動方式，其特征在于: 所述的電極板(4)、透明球形薄膜(9)內(nèi)表面上的透明導(dǎo)電薄層(8)以及油液(6)三部分在地面巡視球形探測器靠近底部區(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(1 ^ m ^ η)片電極板(4)供電時,在此電容間形成一個勻強電場； 利用透明壓電薄膜(7)在電場作用下產(chǎn)生彎曲作動的特點，當(dāng)電源(2)對左側(cè)的第m(l^m^ η)片電極板(4)供電時，在地面巡視球形探測器的左下角區(qū)域構(gòu)成一個勻強電場，使處在該電場中的透明壓電薄膜(7)產(chǎn)生彎曲變形，從而迫使左下角區(qū)域的透明球形薄膜(9)產(chǎn)生彎曲變形，具體為向右上方彎曲，變形后的透明球形薄膜(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 )作用于透明球形薄膜(9 )的右側(cè)，同時使透明球形薄膜(9)右側(cè)產(chǎn)生對應(yīng)的彎曲變形，具體為向右下方彎曲，因此整個地面巡視球形探測器向右滾動一小段距離； 由于位于電場區(qū)域的透明壓電薄膜(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度，同時透明球形薄膜(9)被迫向右運動帶著該部分的透明壓電薄膜(7)運動且離開左下角處的局部電場，因此下一區(qū)域的透明壓電薄膜(7)將進(jìn)入該電場中，同時迫使下一區(qū)域的透明球形薄膜(9)上的透明導(dǎo)電薄層(8)與電極板(4)重新構(gòu)成新的電容，相應(yīng)區(qū)域的透明壓電薄膜(7)產(chǎn)生彎曲作動，再一次驅(qū)動整個地面巡視球形探測器滾動一小段距離，不斷重復(fù)上述過程，從而迫使地面巡視球形探測器不斷向右運動； 在地面巡視球形探測器運動過程中，油液(6)始終在透明球形薄膜(9)內(nèi)處于水平狀態(tài)，透明球形薄膜(9)內(nèi)的懸浮機構(gòu)(5)為底部空間大，上端空間小的不倒翁的形狀，懸浮機構(gòu)(5)靜止的懸浮在油液(6)中，位于透明球形薄膜(9)的球心處，且下配重塊(3)的質(zhì)量大于上配重塊(I)的質(zhì)量，使得懸浮機構(gòu)(5)的重心靠近底部而不會發(fā)生傾倒，即地面球形探測器的運動不影響內(nèi)部懸浮機構(gòu)(5)的驅(qū)動工作及探測工作，因此安裝于懸浮機構(gòu)(5)上的探測頭(12)可 以在運動過程中進(jìn)行視頻及圖形采集等偵查工作。
【文檔編號】B62D57/00GK103921858SQ201410149682
【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)