球形运动机构的制作方法
【专利摘要】本实用新型公开了一种球形运动机构，属于地面移动机器人【技术领域】。它包括呈全封闭结构的球形薄膜，位于球形薄膜内处于1/3至1/2高度的油液，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；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，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重力作用，底部变形。本实用新型利用在电极板与其对应的球形薄膜区域之间形成的局部电场，使设置在相应区域的压电薄膜在该电场的作用下产生弯曲作动效果，从而驱动球形薄膜变形并滚动。
【专利说明】球形运动机构
【技术领域】
[0001] 本实用新型涉及地面移动机器人【技术领域】，具体是一种球形运动机构。
【背景技术】
[0002] 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。 实用新型内容
[0003] 本实用新型旨在研发一种球形运动机构，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。
[0004] 本实用新型为解决上述技术问题，采用以下技术方案：
[0005] 本实用新型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η片电极板，每片电极板 横跨圆周2 π /η的弧度，并分别与电源正极的η个驱动端口连接，相邻电极板间设置有绝缘 层，η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。
[0006] 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 < η)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。
[0007] 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。
[0008] 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勻强电场。
[0009] 所述的球形运动机构，其特征在于：上述η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2 π/η。
[0010] 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。
[0011] 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，夕卜 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。
【专利附图】
【附图说明】
[0012] 图1是球形运动机构结构示意图；
[0013] 图2是压电薄膜阵列粘贴示意图；
[0014] 图3是悬浮机构及电极板结构示意图；
[0015] 图4是电极板分区示意图；
[0016] 图5是电源及上、下配重块的正视图；
[0017] 图6是电源及上、下配重块的剖视图；
[0018] 图7内部悬浮机构结构示意图；
[0019] 图8是球形薄膜内注入油液置于地面变形后的剖视图；
[0020] 图9是球形薄膜运动原理图；
[0021] 图10是球形运动机构运动示意图；
[0022] 其中1-上配重块，2-电源，3-下配重块，4-电极板，5-悬浮机构，6-油液，7-压电 薄膜，8-导电薄层，9-球形薄膜，10-螺栓。
【具体实施方式】
[0023] 下面结合附图对本实用新型的技术方案作进一步的详细说明：
[0024] -种球形运动机构，包括球形薄膜、导电薄层、压电薄膜、油液、悬浮机构、电源、 上配重块、下配重块、电极板和螺栓，结构示意图如图1所示。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，其具体布置方式如图2所示；上述球形薄膜内注入1/3至1/2高度的油液，以保 证悬浮机构静止悬浮在油液中，并且使得电极板靠近球形薄膜变形后底部曲率最大处，使 得整个悬浮装置位于球形薄膜球心处；所述的电源设置在上、下配重块之间，并通过三组螺 栓固定，在电源上设置有功能装置，包括控制器、传感器、信号接收器和发射器；所述的悬浮 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，底部 设置有三个通孔用于螺栓固定，在连接处设置有三个密封圈防止油液渗入到悬浮机构内， 外圈设置有电极板分区，如图3所示；所述的电极板共η片，圆周阵列设置在悬浮机构外圈， 其中每片电极板宽度为2 π /η弧长，并且η片电极板分别与电源正极的η个驱动端口连接， 相邻电极板间设置有绝缘层，在电源电路的控制下，能够实现2 π /η角度的方向调整，电极 板在悬浮机构外圈的具体分区方式如图4所示；所述的电源及上、下配重块通过三组螺栓 固定在悬浮机构内，并且下配重块比上配重块质量大，使得整个悬浮装置的重心靠近底部， 如图5和图6所示；所述的内部悬浮装置由悬浮机构、电源、上配重块、下配重块、电极板和 螺栓组成，其中电源、上配重块、下配重块通过三组螺栓与悬浮机构固定连接，如图7所示； 所述的球形薄膜内部注入1/3至1/2高度的油液，球形薄膜由于内部油液和悬浮机构的重 力作用，底部变形，如图8所示；所述的电极板正好靠近球形薄膜底部变形后曲率最大处。
[0025] 当球形运动机构通过信号接收器接收到指挥部门的命令开始工作时，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，且压电薄膜处在匀强电场中；利用压电薄膜在电场作用下的弯曲作动效 应，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左侧第m (1 < η)片电极板 重新构成新的电容，如图9所示，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，其 具体运动过程如图10所示；由于油液始终在球形薄膜内处于水平状态，球形薄膜内部的悬 浮装置比重小于内部油液的比重，并且根据不倒翁不倾倒的原理悬浮装置的重心设计为靠 近底部而不会发生倾倒，因此球形薄膜内部的悬浮装置静止的悬浮在油液中，且始终处在 球形薄膜的球心位置处，随着球形薄膜向右运动；球形薄膜运动不影响设置在其内部驱动 装置的正常工作；根据运动过程中的地面环境，通过传感器以及控制器调整电源输出电信 号以调控球形运动机构的运动速度；控制调整电源正极对不同驱动端口的电极板供电以调 控球形运动机构的运动方向，由于电极板分为η片圆周阵列在悬浮机构的外圈，所以可以 实现2 π/η的小角度的运动方向的改变，实现对球形运动机构的灵活控制，大大提高其躲 避障碍物的能力和越障能力。
【权利要求】
1. 一种球形运动机构，其特征在于： 包括呈全封闭结构的球形薄膜（9)，还包括位于球形薄膜（9)内处于1/3至1/2高度的 油液（6)，还包括悬浮于油液（6)中的悬浮机构（5); 上述悬浮机构（5)内安装有电源（2)，悬浮机构（5)外圈沿圆周方向均匀贴有η片电极 板（4)，每片电极板（4)横跨圆周2 π/η的弧度，并分别与电源（2)正极的η个驱动端口连 接，相邻电极板（4)间设置有绝缘层，η为大于等于4小于等于16的自然数； 上述球形薄膜（9 )的内表面喷涂有导电薄层（8 )，导电薄层（8 )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（7)，且相邻的两片压电薄膜（7)之间具有 防止弯曲变形相互影响的安全间隙，导电薄层（8)与电源（2)负极连接； 球形薄膜（9)由于内部油液（6)和悬浮机构（5)重力作用，底部变形；所述的电极板（4) 正好靠近球形薄膜（9 )底部变形后曲率最大处。
2. 根据权利要求1所述的球形运动机构，其特征在于： 上述电极板（4)与球形薄膜（9)底部变形后曲率最大处的曲率相等。
3. 根据权利要求1所述的球形运动机构，其特征在于： 上述η为偶数。
4. 根据权利要求1所述的球形运动机构，其特征在于： 上述球形薄膜（9)、导电薄层（8)和压电薄膜（7)均为透明材质。
5. 根据权利要求1所述的球形运动机构，其特征在于： 上述悬浮机构（5)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。
【文档编号】B62D57/02GK203888922SQ201420180913
【公开日】2014年10月22日 申请日期:2014年4月15日 优先权日:2014年4月15日
【发明者】舒承有, 黄翀, 王亮, 金家楣, 季瑞南 申请人:南京航空航天大学