Вездеходный транспортный робот

Изобретение относится к амфибийным транспортным средствам с автоматическим, полуавтоматическим и ручным дистанционным управлением по радиоканалу с возможным дублированием по гидроакустическому каналу научно-исследовательского, военного и гражданского назначения, а также к альтернативным источникам энергии - солнечным батареям на основе фотоэлектрических преобразователей.

Широкое распространение получают не только сухопутные, но и водные самоходные транспортные средства, оснащенные развитыми (т.е. с большой площадью фотоэлектрических преобразователей) солнечными батареями.

Так, известен автомобиль (Ecletic), содержащий самоходное шасси с сухопутным колесным движителем, несущим корпусом/рамой, жестко установленным/ой над ним/ней корпусным элементом, солнечную батарею, образованную крышей указанного элемента, облицованного снаружи фотоэлектрическими элементами, а также систему управления [Авто на солнечных батареях - прорыв в будущее или тупиковая ветвь? // http://mirenergii.ru/energiyasolnca/avto-na-solnechnyx-batareyax-proryv-v-budushhee-ili-tupikovaya-vetv.html].

Это - сугубо наземное сухопутное невездеходное транспортное средство, обитаемое, с ручным управлением, причем упомянутый корпусной элемент имеет коробчатую форму закрытого сверху выпуклой крышей параллелепипеда, соответственно и фотоэлектрические панели (облицовка) солнечной батареи - также выпуклая.

Таким образом, известное транспортное средство, имея ряд общих конструктивных и функциональных признаков с заявляемым устройством, не относится, тем ни менее, к категории амфибийных роботов научно-исследовательского, военного или специального назначения, а его солнечная батарея однофункциональна - используется только по своему прямому назначению.

Сюда же можно отнести и пример водного транспортного средства: известно устройство, содержащее несущий корпус с положительной плавучестью, специализированный водоходный движитель, солнечную батарею, образованную изогнутым элементом с верхней поверхностью, облицованной фотоэлектрическими элементами, и установленную на несущем корпусе выше его уровня, а также систему управления [Водный транспорт на солнечной энергии // http://topneftegaz.ru/news/view/99656 (Выложено 07.09.2011 г.)].

Это - сугубо водное транспортное средство («новая ультралегкая футуристическая и экологически чистая яхта, работающая на энергии солнца и ветра»), обитаемое, с ручным управлением, причем упомянутый изогнутый элемент двухфункционален (крыша открытого салона и одновременно основа для установки фотоэлектрических панелей солнечной батареи), имеет форму выпуклого крыла, соответственно и фотоэлектрические панели (облицовка) солнечной батареи - также выпуклая.

Таким образом, и это транспортное средство, имея ряд общих конструктивных и функциональных признаков с заявляемым устройством, не относится, тем ни менее, к категории амфибийных роботов научно-исследовательского, военного или специального назначения, а его солнечная батарея хоть и двухфункциональна, но не используется (да и не может использоваться) для создания силы плавучести (Архимедовой силы).

Известны примеры конструктивного совмещения солнечных батарей с устройствами другого назначения с целью реализации принципа двух- или многофункциональности, позволяющего получать выигрыш в массогабаритных показателях.

Далее, известны транспортные средства, в том числе вездеходные (танки), содержащие установленные на них развитые (с большой активной площадью светочувствительной поверхности) солнечные батареи, конструктивно совмещенные в одном изделии с элементами (крышками) динамической защиты [RU 2514965, МПК F41H 5/007, H01L 25/00, H02N 6/00, 12.03.2014, Бюл. №13]; облицованные фотоэлектрическими панелями крупногабаритные несущие плоские элементы, попеременно выполняющие функции парусов транспортного средства на плаву и крыльев этого же транспортного средства в воздухе [Креативный концепт транспорта-трансформера будущего // http://prointeresnoe.ru/kretivnyj-koncept-transporta-transformera-budushhego.html]; военное обмундирование с компактными солнечными батареями, конструктивно совмещенными со знаками различия на погонах [RU 2568792, МПК A41D 29/00, H01L 25/00, опубл. 20.11.2015, Бюл. №32; RU 2579340, МПК A41D 29/00, H01L 25/00, опубл. 10.04.2016, Бюл. №10]; и т.п. Однако это носит ограниченно-целевой (частный) характер и не исчерпывает всего возможного разнообразия воплощения упомянутого принципа двух- и многофункциональности.

В свою очередь, к широкому классу вездеходных транспортных средств относятся и амфибийные (плавающие) транспортные средства, способные перемещаться как по суше, так и преодолевать водные преграды, главным образом, вплавь при положительной их плавучести, у которых корпус также как минимум двухфункционален - выполняет функции несущего элемента шасси, водоизмещающего элемента (с расчетной ватерлинией на уровне корпуса ниже верхних его кромок), и др., при этом емкость корпуса (внутренний его объем) гидроизолируют снизу и предусматривают аварийное устройство откачки воды из указанной емкости [Степанов А.П. Плавающие машины. - М.: Изд-во ДОСААФ, 1975, 192 с. - с. 11, рис. 7, с. 26, рис. 14, с. 181, рис. 105].

Среди них можно обнаружить и колесный полноприводной автомобиль-амфибию с солнечной батареей на плоских подложках на выпуклой крыше обитаемого коробчатого корпуса [Н2-0: автомобиль-амфибия выставлен на eBay // http://avtomaniya.com/site/publication-full/2741].

Но в приведенном примере солнечная батарея (элементы-подложки плюс фотоэлектрические панели) - плоско-выпуклая и не является водоизмещающей (т.е. создающей силу плавучести).

Интересен с точки зрения предмета заявляемого изобретения дизайн-проект прогулочной амфибии с трансформируемой (поворотной и распускаемой веером) двухфункциональной (она же одновременно - парус) солнечной батареей, установленной на крыше коробчатого элемента с обитаемым салоном, жестко установленного на водоизмещающем шасси с сухопутно-водным колесным движителем и специализированными водоизмещающими поплавками в расчете (сомнительном, однако), что расчетная ватерлиния будет ниже уровня коробчатого элемента [Проект необычного автодома // http://camper4×4.ru/blog/yumor/274.html].

Это транспортное средство, имея ряд общих конструктивных и функциональных признаков с заявляемым устройством, хотя и относится к амфибийным, тем ни менее, не является роботом научно-исследовательского, военного или специального назначения, а его солнечная батарея хоть и двухфункциональна, но не используется (да и не может использоваться) для создания силы плавучести (Архимедовой силы).

Среди аналогов-роботов известен сугубо водный дрон с плоской частично водоизмещающей платформой (герметичным корпусом), установленной на ней также плоской солнечной батареей в виде множества фотоэлектрических преобразователей-панелей и системой управления внутри платформы, не считая наружной телескопической антенны [Четыре плавающих робота побили мировой рекорд дальности // http://nauka21vek.ru/archives/30273 (Выложено 16.03.2012 г.)].

Однако такое устройство не приспособлено для эксплуатации на суше (собственно, и такой задачи не ставилось), а солнечные батареи при такой компоновке и конфигурации надводных элементов весьма подвержены воздействию воды - как морской забортной, так и осадкам, к тому же невозможно управление углами наклона солнечной батареи в целях оптимизации ее направленности на Солнце.

Кстати, известны и другие водоизмещающие элементы, имеющие положительную плавучесть, с облицовкой фотоэлектрическими панелями, образующими солнечную батарею. В частности: подводно-надводный туристический аппарат с погруженной в воду центральной прозрачной обитаемой капсулой и прикрепленными к ней боковыми поплавками с облицовкой их верхней выпуклой поверхности фотоэлектрическими преобразователями [Подводная лодка Reef Explorer, работающая на солнечных батареях // http://be-active.com.ua/interesting/1028-reef-explorer.html]; стационарная солнечная электростанция, содержащая множество водоизмещающих поплавков типа «бакен», соединенных тросами или иной гибкой связью друг с другом, с якорем и индивидуальными подводными грузами-стабилизаторами, с облицовкой надводной выпуклой части поверхности фотоэлектрическими преобразователями [Солнечные батареи Marine Solar Cells на плаву // www.marineinsight.com (Выложено 14.11.2011 г.)].

Однако ни то, ни другое из этих устройств не относится к категории амфибийных роботов научно-исследовательского, военного или специального назначения, а их солнечные батареи хоть и двухфункциональны (если водоизмещающие поплавки относить к составной части солнечной батареи наряду с фотоэлектрическими преобразователями), но в первом примере солнечные батареи расположены на уровне несущего корпуса, во втором примере отсутствует система управления, а солнечные батарее в обоих примерах подвержены интенсивному воздействию водной стихии.

Близким к заявляемому устройству по назначению и количеству общих существенных конструктивных признаков аналогом является амфибийное транспортное средство («Автобус-амфибия с ветроэнергетической установкой и солнечной батареей»), содержащее самоходное шасси с универсальным сухопутно-водоходным движителем (колеса с выдвижными лопастями) и несущей рамой, элемент-кузов, солнечную батарею, установленную на элементе-кузове выше его уровня (на крыше), а также систему управления с питанием от буферного электрического аккумулятора [RU 2006111355, МПК D60K 1/00, 10.11.2007].

Транспортное средство выполнено амфибийным, с положительной плавучестью и водозащитным исполнением шасси, при сохранении работоспособности солнечной батареи и транспортного средства в целом на плаву.

Однако с обитаемым коробчатым элементом - кузовом и неподвижным креплением солнечной батареи относительно рамы шасси, а расчетная ватерлиния находится явно гораздо ниже солнечной батареи, т.е. не используется объем, занимаемый солнечной батареей, для создания силы плавучести (Архимедовой силы).

Наиболее близким к заявляемому устройству по назначению и количеству общих существенных конструктивных признаков аналогом (прототипом) является вездеходный транспортный робот - подвижная научно-исследовательская лаборатория с возможностью ручного дистанционного управления («Луноход»), содержащий самоходное шасси, по крайней мере, с сухопутным движителем (который в принципе может использоваться и как водоходный, но неспециализированно-водоходным, малоэффективным) и несущим корпусом, солнечную батарею, образованную чашеобразным элементом с вогнутой поверхностью, облицованной фотоэлектрическими элементами, и поворотно относительно несущего корпуса установленную на несущем корпусе выше его уровня, а также систему управления с питанием от буферного электрического аккумулятора [Автоматические станции для изучения поверхностного покрова Луны / А.Л. Кемурджиан, В.В. Громов, И.И. Черкасов, В.В. Шварев. - М.: Машиностроение, 1976, 200 с. - С. 108-111].

Однако он выполнен сухопутным (не амфибийным). Если в конкретном практическом (и историческом) приложении «Луноход-1» и «Луноход-2» и не «нуждались» в амфибийных свойствах (плавучести, ходкости, маневренности и живучести на плаву) по причине отсутствии воды на Луне, то для других вероятных вездеходных транспортных роботов и, прежде всего, наземных, имя которым легион (научно-исследовательского, военного и специального назначения), отсутствие свойств амфибии может являться весьма существенным недостатком всего робототехнического комплекса.

При этом в нем отсутствуют устройство горизонтирования чашеобразного элемента солнечной батареи, аварийное водооткачивающее устройство, гидроизоляция чашеобразного элемента снизу от внутреннего свободного объема несущего корпуса шасси, специализированный водоходный движитель.

Отсюда (по совокупности) - констатация недостаточно высоких технико-эксплуатационных/тактико-технических характеристик известного устройства-прототипа в расширительном смысле.

Таким образом, известное устройство, принятое за прототип, еще недостаточно совершенно по своим технико-эксплуатационным (тактико-техническим) характеристикам.

Задача, на решение которой направлено заявляемое изобретение, заключается в повышении технико-эксплуатационных (тактико-технических) характеристик вездеходного транспортного робота за счет, прежде всего, расширения функционального назначения чашеобразного элемента солнечной батареи, с целью обеспечения положительной плавучести всего робота при сохранении работоспособности.

Решение поставленной задачи достигается тем, что вездеходный транспортный робот (с возможностью ручного дистанционного управления и оперативного перепрограммирования), содержащий самоходное шасси, по крайней мере, с сухопутным движителем и несущим корпусом, солнечную батарею, образованную чашеобразным элементом с вогнутой поверхностью, облицованной фотоэлектрическими элементами, и поворотно относительно несущего корпуса установленную на несущем корпусе выше его уровня, а также систему управления с питанием от буферного электрического аккумулятора, выполнен амфибийным с положительной плавучестью, водозащитным исполнением шасси и расчетной ватерлинией на уровне чашеобразного элемента солнечной батареи ниже верхнего его края, то есть с использованием части объема солнечной батареи для создания силы плавучести транспортного робота при сохранении работоспособности солнечной батареи и всего робота на плаву.

В порядке решения поставленной задачи заявляемое устройство может характеризоваться следующими совокупностями дополнительных конструктивных признаков (при сформулированной выше основной совокупности признаков):

- вездеходный транспортный робот может быть снабжен устройством горизонтирования чашеобразного элемента солнечной батареи (это позволяет не только свести к минимуму вероятность притопления чашеобразного элемента с солнечной облицовкой/солнечными панелями на плаву, обусловленного возможным креном и/или дифферентом чашеобразного элемента, но и поднять высоту расчетной ватерлинии в обеспечение большей силы плавучести транспортного робота в целом);

- при указанной выше совокупности признаков, устройство горизонтирования чашеобразного элемента солнечной батареи может быть выполнено в виде следящего электромеханического привода (это позволяет оперативно изменять углы взаимного положения корпуса/рамы шасси и чашеобразного элемента с солнечной облицовкой/солнечными панелями при входе в воду, особенно крутым берегом, и выходе из воды, крене и дифференте на плаву в любом направлении);

- внутренний свободный объем чашеобразного элемента солнечной батареи может быть гидроизолирован от внутреннего свободного объема несущего корпуса шасси (это позволяет исключить в штатном режиме эксплуатации притопление солнечной батареи и связанного с этим уменьшения запаса плавучести транспортного робота);

- вездеходный транспортный робот может быть дополнительно снабжен аварийным водооткачивающим устройством на основе насоса, с возможностью принудительного удаления воды из внутреннего свободного объема чашеобразного элемента солнечной батареи (это позволяет оперативно удалять воду с солнечных панелей в аварийном режиме притопления солнечной батареи);

- вездеходный транспортный робот может быть дополнительно снабжен сливным клапаном в районе нижней точки пустого объема чашеобразного элемента солнечной батареи, с возможностью ручного и/или дистанционного его открытия/закрытия (это позволяет избежать притопления солнечной батареи жидкими осадками сверху или воздействия конденсата);

- вездеходный транспортный робот может быть дополнительно снабжен водоходным движителем (это повышает водоходные качества транспортного робота как амфибии - ходкость, маневренность и др.).

Таким образом, показана причинно-следственная связь между существенными признаками заявляемого устройства и техническим результатом от использования этого устройства.

Среди известных устройств не обнаружены такие, совокупность существенных признаков которых совпадала бы с заявленной. В то же время, именно за счет последней достигается новый технический результат в соответствии с поставленной задачей.

Основную изобретательскую идею заявляемого технического решения можно сформулировать, иными словами, так: предлагается конструктивно и функционально объединить в одном имеющемся у прототипа устройстве (фрагменте), а именно - открытом сверху чашеобразном (в частности, «параболическом») теле, во-первых, «остронаправленную» солнечную батарею, и, во-вторых, эффективно водоизмещающую емкость (с характерной для плавсредств стереометрической формой, обеспечивающей положительную плавучесть). Соответственно, имеет место «сверхэффект» в патентоведческом понимании этого термина и наличие изобретательского уровня заявляемого технического предложения (неочевидность для специалистов из достигнутого уровня науки и техники).

Заявляемое устройство пояснено на чертежах:

на фиг. 1 упрощенно, частично схематически показан амфибийный транспортный робот, вид сбоку на суше, где WL - расчетная ватерлиния;

на фиг. 2 - то же, на плаву, где W₁L₁ - действующая ватерлиния; G - вес транспортного средства; D - сила плавучести транспортного робота, в том числе D_ш - доля шасси в силе плавучести, D_чэ - доля чашеобразного элемента солнечной батареи.

Вездеходный транспортный робот содержит самоходное шасси 1, по крайней мере, с сухопутным движителем 2 (который может, в принципе, быть одновременно и водоходным, что свойственно, например, колесным, колесно-шагающим, гусеничным и др.) и несущим корпусом 3 (или несущей рамой 3, что не принципиально).

На корпусе (раме) 3 установлен чашеобразный (в частности, с параболической формой в вертикальном сечении) элемент (ЧОЭ) 4 из водонепроницаемого материала (металл, пластик или др.), с размещенными в нем (по вогнутой поверхности) фотоэлектрическими панелями 5, с образованием развитой солнечной батареи 4-5. При этом элемент 4 установлен выше уровня несущего корпуса (рамы) 3 и может быть горизонтален (по верхнему краю 6) при горизонтальности корпуса (рамы) 3.

Принципиально, что транспортный робот выполнен амфибийным, с положительной плавучестью (и запасом плавучести), водозащитным исполнением шасси 1 и расчетной ватерлинией WL (см. фиг. 2) на уровне солнечной батареи 4-5, точнее - ее чашеобразного элемента 4 ниже верхнего его края 6, то есть с использованием части объема чашеобразного элемента 4 солнечной батареи 4-5 для создания добавочной выталкивающей (Архимедовой) силы D_чэ к выталкивающей (Архимедовой) силе D_ш шасси в обеспечение силы плавучести D=D_чэ+D_ш шасси транспортного робота в целом при сохранении работоспособности солнечной батареи 4-5 (панелей 5 в их электрической взаимосвязи) и робота в целом в режиме его эксплуатации на плаву.

Положение WL на ЧОЭ 4 обеспечивают на этапе проектирования (конструкторской проработки) подбором массогабаритных характеристик составных частей на основе уравнения плавучести:

G=ρ⋅g⋅(D_ш+D_чэ),

где ρ⋅ - плотность забортной воды; g - ускорение свободного падения.

Дальнейшее описание устройства относится к дополнительным заявляемым признакам, которые необязательны, но рациональны и потому рекомендуются к использованию.

Вездеходный транспортный робот может быть снабжен устройством 7 горизонтирования чашеобразного элемента 4, а значит, - солнечной батареи 4-5 в целом.

В частности, устройство 7 может представлять собой быстродействующий следящий электромеханический привод, работающий от электрического аккумулятора (в том числе буферного) 8, при солнечной батареи 4-5 (панели 5).

Внутренний свободный объем чашеобразного элемента 4 гидроизолирован не только от водной среды снизу-сбоку (что обязательно для водоизмещающего тела и оговорено признаком «водонепроницаемые стенки»), но может быть гидроизолирован также и от внутреннего свободного объема несущего корпуса 3 шасси 1 известными в инженерном деле средствами, например резиновым уплотнением 9 (см. фиг. 1, 2).

Транспортный робот может быть дополнительно снабжен аварийным водооткачивающим устройством 9 на основе жидкостного (водяного) насоса 10 с возможностью принудительного удаления воды из внутреннего свободного объема чашеобразного элемента 4 в случае притопления или осадков сверху.

Что касается упомянутых осадков, то, во избежание скопления жидких осадков в элементе 4, конкретно - в районе нижней точки пустого (открытого) объема чашеобразного элемента 4, рекомендуется предусмотреть сливной клапан 11 с ручным и/или дистанционным открытием/закрытием.

При этом может быть задействованы как естественное гравитационное поле, так и упомянутое устройство 9-10 путем его параллельного подключения к отсасывающей магистрали.

Транспортный робот может быть дополнительно снабжен специализированным водоходным движителем 12, например водометами или винтами с соответствующими приводами на корме слева и справа (см. фиг. 1, 2).

Заявленное устройство работает следующим образом.

При эксплуатации на суше (основные эксплуатационные условия) робот покоится или перемещается на шасси 1 (см. фиг. 1) за счет сухопутного (колесного) движителя 2, пребывающего в силовом взаимодействии с грунтом. При этом ЧОЭ 4 либо находится в исходном ровном положении (без наклона относительно корпуса/рамы 3 шасси 1), либо принудительно наклонен в сторону Солнца (для это может быть использовано, в принципе, и устройство 7) для большей эффективности использования солнечной энергии для ее преобразования в электрическую и передачи в буферный аккумулятор 8 для дальнейшего использования бортовыми устройствами-потребителями электроэнергии, в том числе двигателями(двигателем) движителя 2 в составе шасси 1. Сливной клапан 11 в ЧОЭ 4, как правило, открыт, вследствие чего возможные влажные осадки и конденсат удаляются автоматически под действием сил гравитации или принудительно за счет откачивающего устройства 9 с насосом 10. Имеется возможность слива воды из ЧОЭ 4 и путем его наклона за счет устройства 7.

При преодолении водной преграды (неосновные, временные эксплуатационные условия) робот перемещается в морской или пресной воде (см. фиг. 2) за счет либо специализированного водоходного движителя 12, либо сухопутного (колесного) движителя 2, либо того и другого, пребывающих в силовом взаимодействии с окружающей средой, главным образом водной стихией. При этом рекомендуется использовать заранее запасенную в достаточном для преодоления водной преграды и выхода на противоположный берег количестве электроэнергию в аккумуляторе 8, поскольку на плаву робот лишен возможности наклона ЧОЭ 4 на существенные углы при низком положении Солнца. Динамика и кинематика перемещения робота на плаву не содержит чего-либо ранее неизвестного в физике, в теории и практике взаимодействия «амфибия - водная преграда» (см. упомянутый в обзоре аналогов источник Степанов А.П.…]. Чашеобразная форма элемента 4 затрудняет волнообразование как функцию скорости движения робота.

Робот погружен в воду (действующая ватерлиния W₁L₁ на фиг. 2), в идеале, по расчетную ватерлинию WL на уровне ЧОЭ 4 (см. фиг. 1) ниже края 6 (в обеспечение заданного запаса плавучести), но с образованием добавочной выталкивающей (Архимедовой) силы D_чэ к выталкивающей (Архимедовой) силе D_ш шасси в обеспечение силы плавучести D=D_чэ+D_ш шасси транспортного робота в целом.

При дифференте и крене шасси 1 в динамике робота устройство 9 автоматически отслеживает (как и надлежит следящему приводу), например по показаниям продольного и поперечного уровней, горизонтальное положение ЧОЭ 4.

Клапан 11 закрыт и не пропускает забортную воду во внутреннее пространство ЧОЭ 4, а при притоплении его фотоэлектрической облицовки 5 осадками или конденсатом включается (включают) насос 10 и жидкость через заборное отверстие устройства 9 удаляется за борт ЧОЭ 4. Аналогично удаляется (удаляют) воду, по той или иной причине (превышение высоты волн, качка при отказе стабилизатора-устройства 7 горизонтирования ЧОЭ 4 и др.) захлестнувшую через край 6 ЧОЭ 4.

Не исключены другие устройства (варианты) в рамках заявляемых совокупностей существенных признаков.

Выбор конкретного варианта из предложенных при использовании изобретения зависит от спектра тактико-технических и экономических требований и производится в каждом конкретном случае.

Разработка не претендует на полное замещение такими устройствами близких аналогов. Устройство предназначено для ограниченного применения там, где может дать максимальную эффективность.

Использование изобретения позволяет повысить (улучшить) технико-эксплуатационные (тактико-технические) характеристики вездеходного транспортного робота за счет, прежде всего, расширения функционального назначения чашеобразного элемента солнечной батареи с целью обеспечения положительной плавучести всего робота при сохранении работоспособности.