头部驱动组件及球形机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种头部驱动组件及球形机器人。

背景技术：

球形机器人是指利用球体的滚动实现运动的机器人，可以实现全方位运动，与地面是单点接触，摩擦阻力小，能量利用效率高，并且具有不倒翁特性，可以避免常规的机器人容易出现的倾倒失稳现象。机器人的重要部件均包容在球体内部，受到球体外壳良好的保护，不容易因破坏而失效。采取合适的密封措施，可以使球形机器人的外壳具备防水能力，进而在较为恶劣的天气条件下使用，具有全天候的适应能力。进一步的，球形机器人一般还包括设于球体外部的头部，头部搭载功能器件实现摄像头等功能器件以实现智能化的人机交流功能，同时提高了球形机器人给用户的亲和感，使其可以作为家庭机器人使用。

现有技术中，球形机器人的头部直接固定在球体外部，在球形机器人的静止状态下，头部没有自由度，即头部无法在球体表面相对球体运动，人机交流功能的用户体验较低，头部位置无法根据内置的功能器件的工作要求变化，球形机器人智能化较低，无法满足家庭机器人的使用要求。

技术实现要素：

本发明要解决的技术问题是提供一种头部驱动组件及球形机器人，用以解决现有技术中在球形机器人的静止状态下，头部无法在球体表面相对球体运动，人机交流功能的用户体验较低，头部位置无法根据内置的功能器件的工作要求变化，球形机器人智能化较低，无法满足家庭机器人的使用要求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种头部驱动组件，位于球形机器人的球体内，用于控制所述球形机器人的头部，所述头部驱动组件包括旋转基座、摇杆机构及盾，所述旋转基座安装于所述球体内的主支架上，所述旋转基座上固定有第一转轴，所述摇杆机构一端连接所述第一转轴，另一端连接所述盾，所述旋转基座带动所述摇杆机构及所述盾以所述主支架为旋转中心旋转，并且所述摇杆机构及所述盾以所述第一转轴为支点相对所述主支架摆动，所述盾抵接所述球体的内表面并磁性连接所述头部，所述盾与所述摇杆机构转动连接，所述头部与所述盾相对静止从而使所述头部通过所述盾在所述球体表面自旋转。

进一步，所述盾包括盾盘、盾转动齿轮及盾驱动齿轮，所述盾盘包括相对设置的第一侧与第二侧，所述第一侧设有磁性装置用于磁性连接所述头部，所述第二侧固定安装所述盾转动齿轮，所述盾驱动齿轮固定安装于所述摇杆机构上并与所述盾转动齿轮啮合，用于驱动所述盾盘转动。

进一步，所述旋转基座包括第一支架、第一主动齿轮及第一从动齿轮，所述第一主动齿轮与所述第一从动齿轮相互啮合，所述第一主动齿轮旋转控制所述第一从动齿轮旋转，所述第一支座固定于所述第一从动齿轮背离所述主支架一侧，并固定所述第一转轴。

进一步，所述第一支座包括固定座、位于所述固定座一侧的一对固定架，所述第一支座通过所述固定座固定于所述第一从动齿轮上，所述摇杆机构的所述第一转轴固定于一对所述固定架之间，从而使所述摇杆机构转动连接所述第一支座，所述导向支架通过所述固定架固定于所述第一支座上。

进一步，所述头部驱动组件还包括导向支架，所述导向支架固定连接所述第一支座，所述导向支架设有弧形导轨，并且所述弧形导轨的曲率圆心位于所述球体的球心，所述摇杆机构上设有与所述弧形导轨配合的导向轮，所述导向支架用于限制盾与所述球体内表面的间距。

进一步，所述摇杆机构包括夹紧件、直杆及导向轮固定架，所述夹紧件一端套设于所述第一转轴并与所述第一转轴旋转固定，另一端固定所述直杆，所述导向轮固定架套设于所述直杆远离所述夹紧件的一端，所述导向轮固定架安装所述导向轮，使所述导向轮与所述弧形导轨滚动连接，所述直杆连接所述盾。

进一步，所述导向支架还包括第一导轨及与所述第一导轨滑动连接的第一滑块，所述第一滑块与所述导向轮通过第一伸缩件连接，所述第一滑块在所述第一导轨滑动并通过所述第一伸缩件带动所述导向轮在所述弧形导轨滚动。

进一步，所述导向支架还包括第二支架、第二主动齿轮及齿条，所述第二主动齿轮与所述第一滑块通过所述第二支架连接，所述齿条表面设有与所述第二主动齿轮啮合的齿，所述第二主动齿轮在所述齿条上相对运动，从而通过所述第二支架带动所述第一滑块在所述第一导轨滑动。

进一步，所述头部驱动组件还包括第二伸缩件，所述第二伸缩件连接所述第一支座与所述直杆，用于辅助控制所述摇杆机构摆动。

本发明还提供一种球形机器人，所述球形机器人包括头部、球体及以上任意一项所述的头部驱动组件，所述头部驱动组件位于所述球体内，并磁性连接所述头部。

本发明的有益效果如下：旋转基座控制安装于旋转基座上的摇杆机构及盾相对主支架旋转，同时摇杆机构及盾以第一转轴为支点摆动，盾磁性连接头部并与头部相对球体的运动状态一致，从而在球形机器人的静止状态下，头部可以在球体表面向任意方向相对运动，同时，盾与摇杆机构转动连接，盾的自旋转可以带动头部在球体表面自旋转，头部位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化，人机交流功能的用户体验高，满足家庭机器人的使用要求。

附图说明

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获得其他的明显变形方式。

图1为本发明实施例提供的头部驱动组件的结构示意图。

图2为本发明实施例提供的头部驱动组件的正视图。

图3为本发明实施例提供的头部驱动组件的侧视图。

图4和图5为本发明实施例提供的头部驱动组件的局部结构示意图。

图6为本发明实施例提供的头部驱动组件的自由度示意图。

图7和图8为本发明实施例提供的头部驱动组件的盾的结构示意图。

图9为本发明实施例提供的头部驱动组件的第一支架的结构示意图。

图10为本发明实施例提供的球形机器人的结构示意图。

图11为本发明实施例提供的球形机器人的内部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明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做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。

请一并参阅图1、图10及图11，本发明实施例提供的头部驱动组件10应用于球形机器人，进一步的，球形机器人包括头部2和球体1，头部2与球体1磁性连接，球体1内承载行走驱动组件、头部驱动组件10、电源等，行走驱动组件用于驱动球体1旋转，依靠球体1外表面与地面的摩擦力驱使球形机器人行走，头部驱动组件10磁性连接头部2，用于控制头部2吸附在球体1外表面运动。在球体1处于静止状态时，头部驱动组件10控制头部2移动到球体1表面的任意位置，即头部2可以以球体1表面为轨迹在xyz方向移动，同时，头部驱动组件10还可以驱动头部2在球体1表面自旋转，从而改变头部2内置的功能器件的工作状态，例如通过改变头部2的位置改变头部2内置的摄像头的拍摄角度等，提高了球形机器人的智能化。

请一并参阅图2、图3图4及图5，本实施例中，头部驱动组件10包括旋转基座102、摇杆机构104及盾106，旋转基座102安装于球体1内的主支架12上，具体的，主支架12为球体1内部的主体承载结构，用于承载头部驱动组件10、行走驱动组件等功能机构，行走驱动组件接触球体1的球壳内壁，进一步的，主支架12还设有位置低于球体1球心的配重，以保持球形机器人在进行行走、越障等动作时，球体1的球壳相对主支架12转动，而主支架12及连接在主支架12上的各功能机构始终保持稳定。旋转基座102转动安装于主支架12上，可以相对主支架12主动旋转，从而使连接于旋转基座102上的机构均能随着旋转基座102而相对主支架12旋转。进一步的，旋转基座102上固定有第一转轴100，摇杆机构104通过第一转轴100连接旋转基座102，摇杆机构104一端连接第一转轴100，另一端连接盾106，即连接在旋转基座102上的第一转轴100、摇杆机构104及盾106可以作为一个整体通过旋转基座102相对主支架12旋转。同时，由于摇杆机构104转动连接第一转轴100，摇杆机构104及盾106可以以第一转轴100为支点相对主支架12摆动。一种较佳的实施方式中，摇杆机构104转动与第一转轴100通过滚动轴承连接。盾106抵接球体1的内表面并磁性连接球形机器人的头部2，盾106位于球体1内，头部2位于球体1外，头部2与盾106相对静止，盾106在球体1内表面的运动与头部2在球体1外表面的运动对应，即头部2的位置与盾106的位置对应并相对球体1同步运动。

结合图6，将球体1划分为相互垂直的经线和纬线，头部2以球体1表面为轨迹在xyz方向的移动位置可以用经度和纬度来表示，摇杆机构104带动头部2以第一转轴100为支点摆动可以改变头部2在球体1的纬度大小，旋转基座102带动摇杆机构104及头部2相对主支架12旋转可以改变头部2在球体1的经度大小，故旋转基座102与摇杆机构104的配合可以使头部2移动到球体1的任意位置。本实施例中，当球体1处于静止状态时，为了使球体1内部各功能结构的重心保持在下半球以稳定球形机器人的重心，头部2保持在球体1上半球的表面移动，即球体1远离底面的一侧半球移动。

请结合图7和图8，盾106与摇杆机构104转动连接，并且盾106磁性连接球形机器人的头部2，头部2通过盾106在球体1表面自旋转。具体的，盾106包括盾盘1060、盾转动齿轮1061及盾驱动齿轮1063，盾盘1060包括相对设置的第一侧106a与第二侧106b，第一侧106a设有磁性装置1062用于磁性连接头部2，具体的，磁性装置1062均匀分布，以保持盾106对头部2的磁吸力均匀。第二侧106b固定安装盾转动齿轮1061，盾驱动齿轮1063固定安装于摇杆机构104上并与盾转动齿轮1061啮合，用于驱动盾盘1060转动。具体的，盾转动齿轮1061首尾相连围成封闭的形状，并且盾转动齿轮1061与盾驱动齿轮1063内啮合。一种较佳的实施方式中，盾转动齿轮1061的围成圆心在盾106的中心的圆形。进一步的，盾驱动齿轮1063通过齿轮支架安装在摇杆机构104上，并通过盾驱动电机1065驱动。盾106的自旋转可以带动头部2在球体1表面自旋转，头部2位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化。本实施例中，盾106为镂空设计，镂空设计减小盾106的重量，从而减小头部驱动组件10的负载，节省电量，提高球形机器人的续航能力。进一步的，盾106还设有万向滚轮，以减小盾106与球体1内表面的摩擦力。

旋转基座102控制安装于旋转基座102上的摇杆机构104及盾106相对主支架12旋转，同时摇杆机构104及盾106以第一转轴100为支点摆动，盾106磁性连接头部2并与头部2相对球体1的运动状态一致，从而在球形机器人的静止状态下，头部2可以在球体1表面向任意方向相对运动，头部2位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化，人机交流功能的用户体验高，满足家庭机器人的使用要求。

本实施例中，旋转基座102包括第一支架1020、第一电机1022、第一主动齿轮1024及第一从动齿轮1026，第一主动齿轮1024与第一从动齿轮1026相互啮合，第一电机1022控制第一主动齿轮1024旋转，从而控制第一从动齿轮1026旋转，第一支座1020固定于第一从动齿轮1026背离主支架12一侧，并连接导向支架108及摇杆机构104。进一步的，第一从动齿轮1026的转轴固定于主支架12，第一第三主动齿轮通过第一电机1022驱动，带动第一从动齿轮1026相对主支架12旋转。第一支架1020通过螺钉固定连接第一支架1020，并带动第一支架1020相对主支架12旋转，第一支架1020作为摇杆机构104及导向支架108的基座连接摇杆机构104及导向支架108，带动摇杆机构104及导向支架108相对主支架12旋转。第一电机1022驱动旋转基座102相对主支架12旋转，从而带动盾106及头部2在球体1纬度的变化，提高了球形机器人的智能化。

进一步的，结合图9，第一支座1020包括固定座1021、位于固定座1021一侧的一对固定架1023，第一支座1020通过固定座1021固定于第一从动齿轮1026上，摇杆机构104的第一转轴100固定于一对固定架1023之间，从而使摇杆机构104转动连接第一支座1020，一种较佳的实施方式中，一对固定架1023对称，并且摇杆机构104的第一转轴100以螺纹连接的方式连接在一对固定架1023之间。导向支架108通过固定架1023固定于第一支座1020上，具体的，一对固定架1023之一设有多个通孔，导向支架108通过螺栓连接固定导向支架108。

本实施例中，头部2驱动组件10还包括导向支架108，导向支架108固定连接第一支座1020，即导向支架108与旋转基座102的第一从动轮1026相对静止。本实施例中，导向支架108包括弧形导轨1080，摇杆机构104上设有导向轮1040，导向轮1040在弧形导轨1080上滚动，从而使摇杆机构104及连接于摇杆机构104上的盾106以第一转轴100为支点摆动。一种较佳的实施方式中，弧形导轨1080的曲率圆心位于球体2的球心，以使导向轮1040贴合弧形导轨1080并带动摇杆机构104及盾106摆动，即导向支架108用于限制摇杆机构104的摆动方向。弧形导轨1080的长度决定了摇杆机构104摆动的范围，即头部2的运动范围，本实施例中，弧形导轨1080的弧度不大于π/4，一种较佳的实施方式中，弧形导轨1080对应的弧度为40度，头部2可以在球体1表面40°范围内无死角摆动，避免头部2摆动幅度过大而磁吸力不足以抵抗头部2的重力导致头部2脱离球体1滑落。

本实施例中，摇杆机构104包括夹紧件1040、直杆1042及导向轮固定架1044，夹紧件1040包括转动端与夹紧端，转动端套设于第一转轴100并与第一转轴100旋转固定，一种较佳的实施方式中，转动端与第一转轴100通过轴承连接，以减小夹紧件1040与第一转轴100相对转动的摩擦力，夹紧端夹紧固定直杆1042，以稳定直杆1042以第一转轴100为支点摆动。一种较佳的实施方式中，第一转轴100位于球体1的球心位置的上方，其他实施方式中，第一转轴100也可以位于球体1的球心位置或其他位置。当直杆1042摆动时，通过固定长度的直杆1042连接的盾106与球体1外壳的距离不变，即盾106与头部2的距离不变，盾106与头部2的磁性吸引力不变，避免头部2在球体1表面移动过程中的球体1对头部2的磁吸力不足或不稳定导致头部2脱离球体1。导向轮固定架1044套设于直杆1042远离夹紧件1040的一端，导向轮固定架1044安装导向轮1040，使导向轮1040与弧形导轨1080滚动连接，直杆1042连接盾106。一种较佳的实施方式中，导向轮1040的滚动边缘为内凹状，用于嵌入导向支架108的弧形导轨1080，避免导向轮1040在弧形导轨1080上滚动时导向轮1040在非滚动方向上脱离弧形导轨1080。导向轮1040在弧形导轨1080滚动从而带动直杆1042及盾106以第一转轴100为支点摆动，进而实现头部2在球体1经度的变化，提高了球形机器人的智能化。

本实施例中，导向支架108还包括第一导轨1086及与第一导轨1086滑动连接的第一滑块1081，第一滑块1081与导向轮1040通过第一伸缩件1100连接，第一滑块1081在第一导轨1086滑动并通过第一伸缩件1100带动导向轮1040在弧形导轨1080滚动。一种较佳的实施方式中，第一伸缩件1100为弹簧，且工作状态保持为拉伸状态。本实施例中，第一滑块1081的滑动凹槽为燕尾槽，第一导轨1086为与第一滑块1081配合的燕尾状导轨，用于防止滑动过程中第一滑块1081与第一导轨1086相互分离。第一滑块1081在第一导轨1086滑动并通过第一伸缩件1100拉动导向轮1040在弧形导轨1080滚动，从而使直杆1042摆动，同时，第一伸缩件1100也起到拉扯导向轮1040使导向轮1040始终贴合在弧形导轨1080的作用。

本实施例中，导向支架108还包括第二支架1082、第二电机1083、第二主动齿轮1084及齿条1085，第二主动齿轮1084与第一滑块1081通过第二支架1082连接，齿条1085表面设有与第二主动齿轮1084啮合的齿，第二电机1083驱动第二主动齿轮1084在齿条1085上相对运动，从而通过第二支架1082带动第一滑块1081在第一导轨1086滑动。具体的，齿条1085与第一导轨1086的方向一致，从而当第二主动齿轮1084在齿条1085上移动时，带动第一滑块1081在第一导轨1086上向相同的方向滑动。进一步的，第二支架1082与摇杆机构104通过轴承转动连接，以通过摇杆机构104固定第二支架1082，同时在摇杆机构104摆动时，由于摇杆机构104位置变化，第二支架1082仍然能够与摇杆机构104连接。

本实施例中，摇杆机构104还包括第一花键母1102，第一花键母1102套设于直杆1042上，并固定于导向轮固定架1044之间，用于防止导向轮固定架1044相对直杆1042旋转。具体的，直杆1042的截面为与第一花键母1102间隙配合花键形状。

本实施例中，头部驱动组件10还包括第二伸缩件1104，第二伸缩件1104连接第一支座1020与直杆1042，用于辅助控制摇杆机构104摆动。具体的，第二伸缩件1104一端固定第一支座1020，另一端通过固定支架固定在直杆1042上，摇杆机构104还包括第二花键母1106，第二花键母1106套设于直杆1042上，并固定连接用于固定第二伸缩件1104的固定支架，以保持第二伸缩件1104的拉伸方向平行于直杆1042。一种较佳的实施方式中，第二伸缩件1104为弹簧，且工作状态处于拉伸状态，可起到辅助控制所述摇杆机构104摆动的作用，平衡电机扭力，降低能耗。

旋转基座102控制安装于旋转基座102上的摇杆机构104及盾106相对主支架12旋转，同时摇杆机构104及盾106以第一转轴100为支点摆动，盾106磁性连接头部2并与头部2相对球体1的运动状态一致，从而在球形机器人的静止状态下，头部2可以在球体1表面向任意方向相对运动，同时，盾106与摇杆机构104转动连接，盾106的自旋转可以带动头部2在球体1表面自旋转，头部2位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化，人机交流功能的用户体验高，满足家庭机器人的使用要求。

请参阅图10，本发明的实施例还提供一种球形机器人，球形机器人包括球体1和以上所述的头部2，头部2与球体1磁性连接，球体1内承载行走驱动组件、头部驱动组件10、电源等，行走驱动组件用于驱动球体1旋转，依靠球体1外表面与地面的摩擦力驱使球形机器人行走，头部驱动组件10磁性连接头部2，用于控制头部2吸附在球体1外表面运动。在球体1处于静止状态时，头部驱动组件10控制头部2移动到球体1表面的任意位置，即头部2可以以球体1表面为轨迹在xyz方向移动，同时，机器人头部2内的功能器件以头部2的中心轴为轴线自主旋转，从而改变头部2内置的功能器件的工作状态，例如通过改变头部2的位置改变头部2内置的摄像头的拍摄角度等，提高了球形机器人的智能化。

以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。