蛙泳式步進(jìn)慣性離心力動(dòng)力裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明為一種利用慣性離心力驅(qū)動(dòng)的動(dòng)力裝置，其原理為：轉(zhuǎn)柄在扭矩的作用下作規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)，強(qiáng)迫飛輪按照非規(guī)則的曲線循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)飛輪的速度矢量變化劇烈，系統(tǒng)本身不足以提供必需的向心力，且向前的驅(qū)動(dòng)做功大于向后的驅(qū)動(dòng)做功時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)獲得持久的前進(jìn)動(dòng)力。相位相同方向相反的飛輪組合就形成一個(gè)定向單元。因狀似蛙泳，并逐步前驅(qū)，故命名為蛙泳式步進(jìn)慣性離心力動(dòng)力裝置。本發(fā)明工作時(shí)無需外部介質(zhì)和內(nèi)部工質(zhì)，如空氣、水、燃?xì)獾龋蚨鵁o噪聲，無排出物，只要有能量輸入就可持久工作，可廣泛應(yīng)用在特殊的環(huán)境條件下，如雪地、冰面、沙灘、水面等，尤其可以在外太空以太陽能驅(qū)動(dòng)作持久飛行。當(dāng)然也可作為各種運(yùn)輸車輛和飛行器的動(dòng)力裝置。
【專利說明】蛙泳式步進(jìn)慣性離心力動(dòng)力裝置
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種利用慣性離心力作為前進(jìn)動(dòng)力的動(dòng)力裝置，特別是指一種運(yùn)動(dòng)狀如蛙泳并步進(jìn)前驅(qū)的動(dòng)力裝置。其顯著技術(shù)特征是利用慣性力作為前進(jìn)動(dòng)力，而無需依靠空氣、水、燃?xì)獾韧獠拷橘|(zhì)或內(nèi)部工質(zhì)，無噪聲，無排放，可廣泛為雪面、冰面、沙灘等條件下的出行提供動(dòng)力。尤其可為在外太空利用太陽能作持久飛行的飛行器提供動(dòng)力。
【背景技術(shù)】
[0002]現(xiàn)行的地面車輛，例如自行車、摩托及各種類型的汽車，其前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力均靠地面的摩擦力；對(duì)于航空器而言，如固定翼飛機(jī)，旋翼飛機(jī)等，均要依靠空氣介質(zhì)來獲得升力和動(dòng)力；對(duì)于水面船舶和水下潛艇而言，其驅(qū)動(dòng)均需依靠水作為介質(zhì)來獲得動(dòng)力；對(duì)于航天器而言，則需依靠火箭內(nèi)部的工質(zhì)一燃?xì)獾膰娚浞醋饔昧慝@得動(dòng)力。這些技術(shù)經(jīng)過多年的發(fā)展均已經(jīng)非常成熟，并得到了廣泛的應(yīng)用。
[0003]但在一些特殊的環(huán)境條件下，如雪地，冰面，沙灘，或者氣墊等條件下，地面松軟，也難以提供足夠的摩擦力，傳統(tǒng)的動(dòng)力裝置難以滿足特殊條件的要求，現(xiàn)行的做法是采用笨重的履帶，一方面增加接觸面積，減小接觸壓力，不致下陷，同時(shí)增加履帶和地面的摩擦。但履帶不僅笨重，導(dǎo)致能耗增加，而且技術(shù)復(fù)雜，價(jià)格昂貴，難以平民化。另外，在外太空，沒有空氣，沒有重力，航天器攜帶的有限工質(zhì)只能保證在有限時(shí)間內(nèi)的驅(qū)動(dòng)和做功。上述環(huán)境條件均迫切需要開發(fā)一種無需介質(zhì)，無需工質(zhì)，可以依靠自身內(nèi)力完成能量轉(zhuǎn)換的推進(jìn)裝置。
[0004]對(duì)于上述特殊環(huán)境條件下動(dòng)力裝置的討論已經(jīng)進(jìn)行了很久，其中利用慣性離心力來獲得動(dòng)力是主要的研究方向。經(jīng)查詢，相關(guān)的專利和報(bào)告很多，但現(xiàn)有的專利基本上都陷于永動(dòng)機(jī)的誤區(qū)，當(dāng)然也沒有可能出現(xiàn)可以實(shí)際運(yùn)行的原理樣機(jī)。所謂離心力永動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)者均錯(cuò)誤地將離心力作為一種實(shí)實(shí)在在的主動(dòng)力來看待，這顯然是謬誤的。
[0005]離心力的本質(zhì)是一種慣性力，是一個(gè)虛擬的被動(dòng)力，雖然離心力永動(dòng)機(jī)是錯(cuò)誤的，但離心作用引起的物理現(xiàn)象卻是實(shí)實(shí)在在存在的。離心力在工程上的應(yīng)用很多也很常見，如洗衣機(jī)利用離心力來完成洗滌和甩干，壓縮機(jī)利用離心力來對(duì)工質(zhì)壓縮增壓，礦石機(jī)械利用離心力來進(jìn)行礦石的粉碎和篩選等。
[0006]本發(fā)明即是受到偏心擺震動(dòng)原理的啟發(fā)，當(dāng)飛輪進(jìn)行規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)的時(shí)候，其在各個(gè)方向上均產(chǎn)生循環(huán)的擺動(dòng)，利用慣性離心力來完成能量的轉(zhuǎn)化，當(dāng)飛輪的速度矢量變化足夠劇烈時(shí)，系統(tǒng)的重力或者摩擦力所提供的向心力已經(jīng)不足以維持飛輪沿固定軌跡運(yùn)行的時(shí)候，飛輪就會(huì)帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)產(chǎn)生位移。但規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)卻使得這樣的移動(dòng)相互抵消。顯然，要想獲得持久的驅(qū)動(dòng)動(dòng)力，則需要將規(guī)則的循環(huán)圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為不規(guī)則的往復(fù)曲線運(yùn)動(dòng)，且在一個(gè)循環(huán)中在前進(jìn)方向上所需要的慣性向心力大于相反方向上的慣性離心力，才可能累積出持久的前進(jìn)驅(qū)動(dòng)力，這就是本發(fā)明的理論基礎(chǔ)。

【發(fā)明內(nèi)容】
[0007]本發(fā)明為一種利用慣性離心力驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)前進(jìn)的動(dòng)力裝置，附圖1給出了由兩個(gè)相位相同方向相反的結(jié)構(gòu)所組成的定向單元。殼體(I)作為整個(gè)裝置的容器和框架，用以連接和固定各個(gè)組成部分；左端輸入裝置(2 )和右端輸入裝置(3 )作為外部扭矩的輸入端口，用以完成和外部能量輸入的對(duì)接，兩者相位相同，方向相反，均固連在殼體(I)上；左端轉(zhuǎn)柄(4)、右端轉(zhuǎn)柄(5)分別和左端輸入裝置(2)、右端輸入裝置(3)相連接，并在外部扭矩的作用下作規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)；在左端轉(zhuǎn)柄(4)和右端轉(zhuǎn)柄(5)的尾部分別設(shè)置有左端鉸鏈(6)和右端鉸鏈(7)，分別用以帶動(dòng)左端擺臂(8)和右端擺臂(9);左端擺臂(8)和右端擺臂(9)在左端轉(zhuǎn)柄(4)、右端轉(zhuǎn)柄(5)的帶動(dòng)下繞固連在殼體(I)上的中心軸(10)轉(zhuǎn)動(dòng)，擺臂(8)上設(shè)置有滑道，可以允許擺臂(8)沿中心軸(10)滑動(dòng)，左端軸承(12)和右端軸承(13)固連在中心軸(10)上，用以減少擺臂和中心軸(10)之間的摩擦，擺臂(8)將轉(zhuǎn)柄(4)的規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)；矢量轉(zhuǎn)子(11)固連在殼體(I)上，在外部控制力矩的作用下繞中心軸(10)旋轉(zhuǎn)，改變整個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)方向，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的矢量控制;左端擺錘(14)和右端擺錘(15)分別固連在左端擺臂(8)、右端擺臂(9)的尾部，并隨左端擺臂
(8)和右端擺臂(9)一起運(yùn)動(dòng)，用以增加擺臂的慣性力。
[0008]本發(fā)明的工作原理為:轉(zhuǎn)柄(4)在外來扭矩的作用下繞軸旋轉(zhuǎn)，作規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)柄(4)尾部鉸接一個(gè)擺臂(8)，擺臂(8)尾部設(shè)置有擺錘(14)，擺臂(8)繞中心軸(10)旋轉(zhuǎn)。在轉(zhuǎn)柄(4)作規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)時(shí)，會(huì)強(qiáng)迫擺錘(14)按照一個(gè)非規(guī)則的類圓周曲線作循環(huán)運(yùn)動(dòng)。當(dāng)擺錘(14)的速度矢量變化足夠劇烈，系統(tǒng)本身的重力或者摩擦力不足以提供擺錘(14)運(yùn)動(dòng)所必需的向心力時(shí)，系統(tǒng)就會(huì)在擺錘(14)的慣性力作用下產(chǎn)生位移，就如擺錘
(14)對(duì)系統(tǒng)產(chǎn)生了驅(qū)動(dòng)力。在上述運(yùn)動(dòng)的一個(gè)循環(huán)中，合理的參數(shù)設(shè)計(jì)可以確保擺錘(14)對(duì)系統(tǒng)的前進(jìn)做功大于后退做功，系統(tǒng)就會(huì)產(chǎn)生持久向前的驅(qū)動(dòng)力并向前運(yùn)動(dòng)，從而完成能量和運(yùn)動(dòng)的轉(zhuǎn)換。如果將相位相同、方向相反的上述運(yùn)動(dòng)單元組合在一起，則在非前進(jìn)方向上的力就會(huì)互相抵消。從而形成一個(gè)定向前進(jìn)的推力單元。如果將不同方向的上述定力單元組合在一起，就可以完成系統(tǒng)的六自由度控制。
[0009]本發(fā)明的主要參數(shù)設(shè)計(jì)包括如下內(nèi)容:
外部能量的輸入:包括大小、頻率，以角速度恒定輸入方式還是扭矩恒定輸入方式；
矢量控制:推力方向的確定以及外部控制力矩的大小和方式；
結(jié)構(gòu)尺寸:軸間距(中心軸(10)和輸入軸之間的距離)與轉(zhuǎn)柄長度的比值；
擺臂長度和轉(zhuǎn)柄長度的比值；
擺錘的尺寸；
系統(tǒng)參數(shù):每一個(gè)單元中的擺臂個(gè)數(shù)；
完成六自由度控制的單元個(gè)數(shù)。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0010]附圖1是本發(fā)明中一個(gè)最小定向單元的組成圖；
附圖2是在一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中各部件的相對(duì)位置關(guān)系圖；
附圖3是擺錘(14)中心點(diǎn)處的速度曲線圖；
附圖4是擺錘(14)運(yùn)動(dòng)所需向心力曲線圖；
附圖5是系統(tǒng)步進(jìn)式前進(jìn)位移圖； 附圖6是所需外部輸入扭矩圖；
附圖7是系統(tǒng)的推力矢量控制示意圖。
[0011]附圖中各標(biāo)識(shí)的名稱和定義為:
I殼體
2左端輸入裝置 3右端輸入裝置 4左端轉(zhuǎn)柄 5右端轉(zhuǎn)柄 6左端鉸鏈 7右端鉸鏈 8左端擺臂 9右端擺臂 10中心軸 11矢量轉(zhuǎn)子 12左端軸承 13右端軸承 14左端擺錘 15右端擺錘
下面結(jié)合附圖來對(duì)本發(fā)明的工作原理作進(jìn)一步的說明。
[0012]在一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，各部件的相對(duì)位置關(guān)系可以參見附圖2。從圖中可以清楚地看出，轉(zhuǎn)柄(4)沿一個(gè)規(guī)則的圓周進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，而擺錘(14)的中心則沿一個(gè)不規(guī)則的曲線在運(yùn)動(dòng)。如果外來扭矩以恒定的角速度輸入，則在擺錘(14)的運(yùn)動(dòng)過程中，其中心點(diǎn)處的速度曲線見附圖3，可以看到，在擺錘(14)運(yùn)動(dòng)到遠(yuǎn)端時(shí)，其運(yùn)動(dòng)速度很快，變化非常劇烈，其程度遠(yuǎn)大于近端時(shí)的情況，從而會(huì)在遠(yuǎn)端要求更多的向心力，換言之，其遠(yuǎn)端時(shí)的慣性離心力也就越大。
[0013]附圖4給出了擺錘(14)運(yùn)動(dòng)所需向心力的大小，可以看到，在一個(gè)循環(huán)運(yùn)動(dòng)中，擺錘(14)所需的向心力是不平衡的，不平衡的結(jié)果就會(huì)導(dǎo)致持續(xù)驅(qū)動(dòng)力的產(chǎn)生，盡管這個(gè)驅(qū)動(dòng)是步進(jìn)式的。
[0014]附圖5給出了系統(tǒng)在擺錘(14)帶動(dòng)下逐步前進(jìn)的曲線，可以看到，本發(fā)明的的作用效果是在前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退的循環(huán)中完成的，但和規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)的前進(jìn)-后退-前進(jìn)-后退不同，本發(fā)明的前進(jìn)量總是大于后退量，因此系統(tǒng)的總體趨勢(shì)是前進(jìn)的。
[0015]附圖6給出了在上述運(yùn)動(dòng)過程中所需的外部輸入扭矩的曲線，可以看到，曲線變化非常劇烈，尤其在擺錘(14)運(yùn)動(dòng)的遠(yuǎn)端，其大小和方向均劇烈變化，并且會(huì)隨著擺錘
(14)運(yùn)動(dòng)速度的變化而變化，這會(huì)給外部的扭矩輸入裝置帶來相當(dāng)大的困難和不穩(wěn)定。
[0016]附圖7給出了系統(tǒng)進(jìn)行推力矢量控制時(shí)的幾個(gè)位置示意圖，可以看到，通過外部輸入控制力矩，矢量轉(zhuǎn)子(11)驅(qū)動(dòng)殼體(I)并帶動(dòng)整個(gè)系統(tǒng)繞中心軸(10)旋轉(zhuǎn)，即可完成系統(tǒng)推力方向的變化，從圖示可以看出，系統(tǒng)可以非常容易地在二維工作平面內(nèi)完成360度的推力矢量控制，這也是本發(fā)明的一個(gè)特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)。
[0017]技術(shù)特點(diǎn) 自驅(qū)動(dòng)
只要有能量輸入，即可無須依靠外部工質(zhì)或介質(zhì)完成自驅(qū)動(dòng)和矢量控制。在地面時(shí)，可以依靠人力、電能、太陽能或常規(guī)發(fā)動(dòng)機(jī)的能量作為輸入，在外太空，可以依靠太陽能完成驅(qū)動(dòng)。只需將能量輸入裝置和殼體封裝在一起，即可自成體系。
[0018]無噪聲
如果將電能或太陽能作為能量來源并封裝，系統(tǒng)可以完成無噪聲驅(qū)動(dòng)。
[0019]無排放
如果將電能或太陽能作為能量來源并封裝，系統(tǒng)可以無排放驅(qū)動(dòng)。
[0020]長久驅(qū)動(dòng)
在外太空以太陽能為能量來源，可以完成長時(shí)間持久驅(qū)動(dòng)。
[0021]全向矢量控制
系統(tǒng)可以在二維工作平面內(nèi)完成360度推力方向的改變。
[0022]安全可靠
系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)封裝，無運(yùn)動(dòng)部件外露，無需借助外部介質(zhì)，安全可靠。
[0023]應(yīng)用廣泛
在雪地、冰面、沙灘等應(yīng)用條件下可以拋開笨重復(fù)雜的履帶裝置，在外太空可以持久運(yùn)轉(zhuǎn)，當(dāng)然也可以在任何需要驅(qū)動(dòng)前行的環(huán)境中應(yīng)用。
具體實(shí)施例
[0024]實(shí)施例1雪地車/冰面車/沙灘車/氣墊車
無需笨重的履帶或者噪音巨大的螺漿風(fēng)扇驅(qū)動(dòng)裝置，在雪地車/冰面車/沙灘車/氣墊車的應(yīng)用上，可以大大簡化車輛或運(yùn)輸工具的復(fù)雜程度，并利用其矢量控制特性獲得極大的運(yùn)動(dòng)靈敏性。如果采用人力作為驅(qū)動(dòng)能量的來源，可以使得上述車輛完全平民化，為其大規(guī)模推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)。
[0025]實(shí)施例2極限運(yùn)動(dòng)器械
以人力作為能量輸入來源，簡化控制機(jī)構(gòu)，依靠人身協(xié)調(diào)性來實(shí)施控制，在摩擦力很小的環(huán)境下運(yùn)動(dòng)，如雪地、冰面、水面及沙灘等，可以獲得全新的運(yùn)動(dòng)體驗(yàn)和樂趣。
[0026]實(shí)施例3各種飛行玩具
以蓄電池作為能量輸入，利用其便利的矢量控制特性，可以完成小型飛行玩具如飛碟等的起飛、降落、懸停、移動(dòng)等。
[0027]實(shí)施例4微型無人飛行器
以微型內(nèi)燃發(fā)動(dòng)機(jī)作為能源，利用其便利的矢量控制特性，可以完成全新形式的微型無人飛行器的設(shè)計(jì)和控制。
[0028]實(shí)施例5外太空微型驅(qū)動(dòng)裝置
在無重力無空氣的外太空，以太陽能作為能量來源，組合多種定向單元，可以完成長時(shí)間持久的驅(qū)動(dòng)和控制。
[0029]說明
雖然以上所述給出了本發(fā)明的工作原理及具體實(shí)施例，但是本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)理解，這些具體的實(shí)施例子僅是舉例說明，本領(lǐng)域內(nèi)的技術(shù)人員應(yīng)當(dāng)在不脫離本發(fā)明的工作原理和技術(shù)實(shí)質(zhì)的情況下，可以對(duì)本發(fā)明的具體實(shí)施內(nèi)容進(jìn)行改變，刪減，增加，替換或忽略，但凡按照實(shí)質(zhì)相同的原理和方法執(zhí)行實(shí)質(zhì)相同的功能以達(dá)到實(shí)質(zhì)相同的結(jié)果均屬于本發(fā)明保護(hù)的范疇，本發(fā)明的保護(hù)范圍由發(fā)明權(quán)利要求書所限定。
【權(quán)利要求】
1.一種蛙泳式步進(jìn)慣性離心力動(dòng)力裝置，包括一個(gè)作為整個(gè)裝置容納框架的殼體(1)，外部能量以轉(zhuǎn)矩驅(qū)動(dòng)的形式通過固連在殼體上的輸入裝置(2)輸入，進(jìn)而帶動(dòng)轉(zhuǎn)柄(4)在外部扭矩的作用下作規(guī)則的圓周運(yùn)動(dòng)，轉(zhuǎn)柄尾部設(shè)置有鉸鏈(6)，用以帶動(dòng)和轉(zhuǎn)柄鉸接的擺臂(8)，擺臂(8)在轉(zhuǎn)柄(4)的帶動(dòng)下繞固連在殼體(I)上的中心軸(10)轉(zhuǎn)動(dòng)，在擺臂(8 )上設(shè)置有滑道，允許擺臂(8 )沿中心軸(10 )滑動(dòng)，軸承(12 )固連在中心軸(10 )上，用以減少擺臂(8)和中心軸(10)之間的摩擦，擺臂(8)將轉(zhuǎn)柄的規(guī)則圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為不規(guī)則的曲線運(yùn)動(dòng)；矢量轉(zhuǎn)子(11)固連在殼體(I)上，在外部矢量控制力矩的作用下繞中心軸(10)旋轉(zhuǎn)，可以改變整個(gè)單元的驅(qū)動(dòng)方向，從而完成整個(gè)系統(tǒng)的矢量控制，擺錘(14)固連在擺臂(8)的尾部，并隨擺臂(8)—起運(yùn)動(dòng)，用以增加擺臂(8)的慣性力。
2.權(quán)利要求1中的殼體(I)可以對(duì)整個(gè)單元用采用包裹封裝的形式。
3.權(quán)利要求1中的能量輸入為轉(zhuǎn)矩輸入，可以采用人力蹬踏、電池+電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)+變速箱、太陽能+電動(dòng)機(jī)等形式，可以直接和輸入裝置(2)對(duì)接，也可以和鉸鏈(6)對(duì)接。
4.權(quán)利要求1中的外部矢量控制力矩可以采用人力扭轉(zhuǎn)、電池+電動(dòng)機(jī)、發(fā)動(dòng)機(jī)+變速箱、太陽能+電動(dòng)機(jī)等形式，可以直接和矢量轉(zhuǎn)子(11)對(duì)接，也可以直接施加在殼體(I)的適當(dāng)位置。
5.將相位相同、方向相反的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)組合在一起，將非前進(jìn)方向上的力互相抵消，從而可以形成一個(gè)獨(dú)立的定向前進(jìn)的推力單元。
6.將權(quán)利要求5中的獨(dú)立定向單元按照不同方向組合，可以完成系統(tǒng)的六自由度控制。
【文檔編號(hào)】F03G3/06GK103883488SQ201410055989
【公開日】2014年6月25日 申請(qǐng)日期:2014年2月19日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月19日
【發(fā)明者】劉獻(xiàn)偉, 梁曉庚 申請(qǐng)人:劉獻(xiàn)偉