一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人

1.本发明涉及机器人技术领域，具体为一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人。


背景技术：

2.传统机器人以行走或者爬行作为运动方式，在跨越障碍物方面具有较大问题，爬行机器人难以越过比它自身尺寸大的障碍物，行走机器人虽然跨越尺寸障碍物但面临着可能因障碍物倒地后重新进行姿态调整的繁琐操作并且越过障碍物操作繁琐需要多个功能模块配合。无人机在空中持续飞行会持续消耗能量并且无人机在飞行过程中还有噪音。现在大部分球类机器人运动原理都是基于偏心和小车驱动。偏心重摆型球形机器人，虽然具有良好的灵活性，但平衡性能差因此需要合理排布球体内部结构。它的越障能力和自身摆角设计关系密切，这对机器人机械设计也提出较高的要求。小车驱动型球形机器人则是以摩擦作为主要动力来源，在运动中会发生打滑现象，限制运动效率。因此现有的传统机器人均无法适应复杂环境下的移动和操作问题。


技术实现要素：

3.为解决现有技术存在的问题，本发明的主要目的是提出一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，解决传统机器人无法适应的复杂环境下的移动和操作问题。
4.为解决上述技术问题，根据本发明的一个方面，本发明提供了如下技术方案：
5.一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，包括：
6.椭球外壳、动力磁铁；
7.动力磁铁包括导向柱、电磁铁、永磁铁；
8.导向柱两端固定在椭球外壳内壁上，导向柱内两端均固定有电磁铁，永磁铁置于导向柱内一端。
9.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的优选方案，其中：椭球外壳为扁椭圆外壳。
10.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的优选方案，其中：动力磁铁为n组，n为≥2的偶数。
11.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的优选方案，其中：动力磁铁在椭球外壳内呈镜像分布。
12.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的优选方案，其中：相邻的动力磁铁在空间中交错分布。
13.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的优选方案，其中：机器人还包括设置于椭球外壳中的控制模块，实现动力磁铁的动作控制。
14.为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
15.一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的动作方法，包括：
16.机器人的跳跃方法：某一动力磁铁的电磁铁通电产生磁场，位于导向柱内一端的
电磁铁产生吸引磁场，位于导向柱内另一端的电磁铁产生排斥磁场，永磁铁受到磁场作用被推出与产生吸引磁场的电磁铁粘结在一起，实现对椭球外壳的内壁的撞击，实现椭球机器人的跳跃。
17.作为本发明所述的一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的动作方法的优选方案，其中：还包括，
18.机器人的姿态调整方法：对至少一个动力磁铁的电磁铁通入电流，产生磁场实现机器人的姿态调整。
19.为解决上述技术问题，根据本发明的另一个方面，本发明提供了如下技术方案：
20.一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人在工业、救援、探险等领域(例如管道内、高压(如水下、油井等)等环境中)的应用。
21.本发明的有益效果如下：
22.本发明提出一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，通过控制不同动力磁铁的电磁铁充放电使得永磁铁冲击电磁铁完成跳跃和/或姿态调整；椭球机器人具有优秀的灵活性和机动性，扁椭圆外壳的设计可以减小前进运动完成后的因为惯性摆动的距离，跳跃功能解决传统机器人多障路况下无法的移动和操作问题，可以在无法到达或危险的环境中执行各种任务，可以减少人类的风险暴露，提高任务的效率和可靠性。
附图说明
23.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图示出的结构获得其他的附图。
24.图1为本发明实施例的椭球机器人的主视图；
25.图2为本发明实施例的椭球机器人的侧视图；
26.图3为本发明实施例的动力磁铁的结构示意图；
27.图4为图3中的a-a剖面图；
28.图5为本发明实施例的动力磁铁的分布图；
29.图6为本发明实施例的动力磁铁的撞击状态示意图；
30.图7为本发明实施例的动力磁铁的姿态调整状态示意图。
31.1-扁椭圆外壳、2-电磁铁、3-导向柱、4-永磁铁、5-前进动力磁铁一、6-后退动力磁铁一、7-后退动力磁铁二、8-前进动力磁铁二。
32.本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
33.下面将结合实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
34.本发明的主要目的是提出一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，具有如下优势：
35.(1)高效率：椭球机器人利用磁力冲击来实现跳动与移动。它可以通过磁场的作用产生推力，驱动机器人前进。无需借助外部力量，减少了能量损耗，提高了效率。
36.(2)灵活性与机动性：椭球机器人具有优秀的灵活性和机动性，通过控制电磁铁通断电实现机器人不断地移动。通过控制电磁铁通电大小转实现自由转动，不受传统机器人的转向角度限制，这使得机器人能够在复杂的环境中灵活导航和操作。此外，通过改变磁力冲击结构的磁场大小使椭球形机器人产生不同高度的跳跃。因此椭球机器人可以在不平坦的地面上自由移动，克服障碍物，适应各种工作场景。
37.(3)环境适应性：椭球机器人能够适应多种环境。椭球机器人不需要机械连接或传动部件，通过磁力驱动实现运动。这意味着机器人可以实现无接触运动，避免了摩擦和磨损，减少了机械故障的风险，椭球形结构抗压强度高，能够在他复杂环境中自由移动，如水下、油井、管道等，这种环境适应性使得椭球形磁流体机器人在工业、救援、探险等领域具有广阔的应用前景。
38.(4)扁椭圆外壳的设计可以减小前进运动完成后的因为惯性摆动的距离，动力磁铁前端后端都有电磁铁，可以防止出现椭球运动中翻面的情况没办法继续运动的情况。
39.本发明旨在应对复杂和恶劣环境中的任务需求，例如矿山勘探、管道探测等。磁性冲击结构使得椭球机器人具有跳跃能力，可以在无法到达或危险的环境中执行各种任务。它可以减少人类的风险暴露，提高任务的效率和可靠性。
40.本发明是基于仿生理念提出，主要参考墨西哥跳豆，墨西哥跳豆的运动原理是，豆子内部幼虫不断滚动使整体质心发生改变，实现平面滚动；幼虫撞击豆子内壁产生冲击使豆子跳跃。
41.如图1-7所示，本发明的一个实施例提供一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，包括：
42.椭球外壳、动力磁铁；
43.动力磁铁包括导向柱3、电磁铁2、永磁铁4；
44.导向柱3两端固定在椭球外壳内壁上，导向柱3内两端均固定有电磁铁2，永磁铁4置于导向柱内一端。动力磁铁两端都有电磁铁2，可以防止出现椭球机器人运动中翻面的情况没办法继续运动的情况。
45.在本发明一个实施例中，椭球外壳为扁椭圆外壳1，扁椭圆外壳1的设计可以减小前进运动完成后的因为惯性摆动的距离。
46.在本发明一个实施例中，动力磁铁为n组，n为≥2的偶数。
47.在本发明一个实施例中，动力磁铁为4组，2组提供向前跳动、2组提供向后的动力，为了在跳动中不产生偏转动力，动力磁铁在椭球外壳内呈镜像分布；相邻的动力磁铁在空间中交错分布。
48.在本发明一个实施例中，机器人还包括设置于椭球外壳中的控制模块，实现动力磁铁的动作控制。
49.如图1-7所示，本发明的另一个实施例提供一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人的动作方法，包括：
50.机器人的跳跃方法：某一动力磁铁的电磁铁2通电产生磁场，位于导向柱3内一端的电磁铁2产生吸引磁场，位于导向柱3内另一端的电磁铁2产生排斥磁场，永磁铁4受到磁场作用被推出与产生吸引磁场的电磁铁2粘结在一起，根据动量守恒定理，
51.mv＝mv1+mv152.其中，m为永磁铁4的质量，m为椭球机器人的质量，v为永磁铁4碰撞前速度，v1为碰撞后椭球机器人运动的速度，实现对椭球外壳的内壁的撞击，实现椭球机器人的跳跃；此后，当完成一次跳动后控制电流缓慢的减小，使得永磁铁4以较小的速度回落到底部后可以采用该某一动力磁铁进行第二次跳跃，或者调用其他动力磁铁实现跳跃。
53.在本发明一个实施例中，机器人的姿态调整方法：对至少一个动力磁铁的电磁铁2通入电流，产生磁场实现机器人的姿态调整。
54.具体的，存在两对动力磁铁，可以通过激发不同的动力磁铁产生不同的运动效果，当前进动力磁铁一5通入大电流永磁铁4产生大的碰撞力，后退动力磁铁二7通入小电流产生小的碰撞力，如图7所示，由于两个作用力到椭球机器人中心的距离不相等并且两个力的大小也不相等所以会产生偏转力矩可以实现模型产生较大偏转，如果想让动力磁铁产生反方向的转动则可以将后退动力磁铁二7通入大电流，前进动力磁铁一5通入小电流；如果想实现模型小幅度的偏转可以通过之调度四个动力磁铁中任意一个就可以实现姿态转动；当同一侧的电磁铁4同时被相同大小的电流激发也会产生小幅度偏转，就如前进动力磁铁二8和后退动力磁铁二7同时被激发或前进动力磁铁一5和后退动力磁铁一6同时被激发，由于两个动力磁铁到重心距离不相同也会产生椭球的偏转运动
55.在本发明一个实施例中，一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人在工业、救援、探险等领域(例如管道内、高压(如水下、油井等)等环境中)的应用，椭球形结构抗压强度高，能够复杂环境中自由移动。
56.本发明通过控制不同动力磁铁的电磁铁充放电使得永磁铁冲击电磁铁完成跳跃和/或姿态调整；椭球机器人具有优秀的灵活性和机动性，扁椭圆外壳的设计可以减小前进运动完成后的因为惯性摆动的距离，解决传统机器人无法适应的复杂环境下的移动和操作问题，可以在无法到达或危险的环境中执行各种任务，可以减少人类的风险暴露，提高任务的效率和可靠性。
57.以上所述仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是在本发明的发明构思下，利用本发明说明书内容所作的等效结构变换，或直接/间接运用在其他相关的技术领域均包括在本发明的专利保护范围内。

技术特征：
1.一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，包括：椭球外壳、动力磁铁；动力磁铁包括导向柱、电磁铁、永磁铁；导向柱两端固定在椭球外壳内壁上，导向柱内两端均固定有电磁铁，永磁铁置于导向柱内一端。2.根据权利要求1所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，椭球外壳为扁椭圆外壳。3.根据权利要求1所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，动力磁铁为n组，n为≥2的偶数。4.根据权利要求1所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，动力磁铁在椭球外壳内呈镜像分布。5.根据权利要求1所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，相邻的动力磁铁在空间中交错分布。6.根据权利要求1所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人，其特征在于，机器人还包括设置于椭球外壳中的控制模块，实现动力磁铁的动作控制。7.一种权利要求1-6任一项所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人的动作方法，其特征在于，包括：机器人的跳跃方法：某一动力磁铁的电磁铁通电产生磁场，位于导向柱内一端的电磁铁产生吸引磁场，位于导向柱内另一端的电磁铁产生排斥磁场，永磁铁受到磁场作用被推出与产生吸引磁场的电磁铁粘结在一起，实现对椭球外壳的内壁的撞击，实现椭球机器人的跳跃。8.根据权利要求7所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人的动作方法，其特征在于，还包括，机器人的姿态调整方法：对至少一个动力磁铁的电磁铁通入电流，产生磁场实现机器人的姿态调整。9.一种权利要求1-6任一项所述的仿墨西哥跳豆的椭球机器人在工业、救援、探险领域的应用。

技术总结
本发明属于机器人技术领域，具体为一种仿墨西哥跳豆的椭球机器人，通过控制不同动力磁铁的电磁铁充放电使得永磁铁冲击电磁铁完成跳跃和/或姿态调整；椭球机器人具有优秀的灵活性和机动性，扁椭圆外壳的设计可以减小前进运动完成后的因为惯性摆动的距离，解决传统机器人无法适应的复杂环境下的移动和操作问题，可以在无法到达或危险的环境中执行各种任务，减少人类的风险暴露，提高任务的效率和可靠性。性。性。


技术研发人员：贺可太 沈斯佳 周志鹏 翟晨龙 淦勇勇 孟晓伟
受保护的技术使用者：北京科技大学
技术研发日：2023.08.10
技术公布日：2023/10/11