一种球形机器人的制作方法

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球形机器人。

背景技术：

球形机器人是一种将驱动机构、控制器等安装在一球形壳体内部，通过内驱动机构驱动球形壳体滚动运动的机器人。球形机器人与地面的接触方式为点接触，能够全方位行走；具有零转弯半径，移动和转向灵活方便。此外，球形机器人外形新颖，运动方式特殊，不怕翻倒，不会勾到其他东西，转弯灵活，适合在家庭这种特殊而且复杂的环境下工作。

现有的球形机器人大多是满足于行走功能，很少有球形机器人包括头部；或者头部上的结构单一，无法对头部进行单独控制，尤其在球形机器人静止时，头部无法单独控制头部的旋转，这样就大大降低了球形机器人的灵活性和操控体验。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种球形机器人，该球形机器人包括头部驱动组件，用以单独驱动球形机器人的头部运动，增强了球形机器人的灵活性。

为了实现上述目的，本发明实施方式提供如下技术方案：

本发明提供一种球形机器人，包括球形壳体、设置于所述球形壳体外表面的头部组件和收容于所述球形壳体内部的头部驱动组件，所述头部驱动组件包括导轨组件、第一驱动单元、第二驱动单元、导向滑块和盾，所述盾与所述头部组件之间通过磁力作用保持静止，所述头部组件贴附于所述球形壳体外表面，所述第一驱动单元驱动所述导向滑块在所述导轨组件上运动，以使得所述头部组件在所述球形壳体的外表面滑动；所述盾转动连接于所述导向滑块，所述第二驱动单元驱动所述盾相对所述导向滑块转动，以使得所述头部组件自转。

其中，所述第二驱动单元还包括转动轴，所述盾与所述导向滑块通过转动轴转动连接，所述转动轴包括连接轴和转动轴承，所述连接轴一端与所述导向滑块之间固定连接，所述连接轴在靠近另一端与所述转动轴承的内圈固定连接，所述转动轴承的外圈与所述盾固定连接。

其中，所述第二驱动单元包括第三驱动电机、第三齿轮和环形导轨，所述第三驱动电机与所述连接轴固定连接，所述第三齿轮固定于所述第三驱动电机的转轴，所述环形导轨固定于所述盾上，所述环形导轨内侧设置有第三齿牙，所述第三齿轮与所述第三齿牙啮合设置。

其中，所述环形导轨的圆心与所述连接轴的轴线共线设置。

其中，所述转动轴还包括轴承内圈上盖和轴承外圈下盖，所述连接轴在靠近另一端的位置上设置有抵接台，所述转动轴承的内圈套接于所述连接轴的另一端并与所述抵接台相抵接，所述轴承内圈上盖固定于所述连接轴的另一端，所述内圈夹持于所述抵接台与所述轴承内圈上盖之间，所述盾上设置有轴承外圈座，所述轴承外圈下盖穿过所述连接轴并固定于所述轴承外圈座上，所述转动轴承的外圈夹持于所述轴承外圈座与所述轴承外圈下盖之间。

其中，所述第一驱动单元包括第一驱动电机及与所述第一驱动电机转轴固定的第一齿轮，所述第一驱动电机固定于所述导向滑块，所述导轨组件包括第一弧形导轨，所述第一弧形导轨上设置有第一齿牙，所述导向滑块安装于所述第一弧形导轨，所述第一齿轮与所述第一齿牙啮合设置，所述第一驱动电机驱动所述导向滑块在所述第一弧形导轨上移动。

其中，所述导向滑块上还设置有导向滑轮，所述第一弧形导轨上设置有导向条，所述导向滑轮卡接于所述导向条上，所述导向滑轮在所述导向条上移动以限制所述导向滑块的移动方向。

其中，所述第一驱动单元还包括第二驱动电机，所述导轨组件还包括底盘，所述第一弧形导轨与所述底盘通过转轴转动连接，所述第二驱动电机驱动所述第一弧形导轨绕所述转轴转动。

其中，所述第一驱动单元还包括与所述第二驱动电机转轴连接的第二齿轮，所述导轨组件还包括第二弧形导轨，所述第二弧形导轨固定于所述底盘上，所述第二弧形导轨上设置有第二齿牙，所述第二驱动电机与所述第一弧形导轨固定连接，所述第二齿轮与所述第二齿牙啮合设置，所述第二驱动电机驱动所述第二齿轮在所述第二弧形导轨上移动，以使得所述第一弧形导轨绕所述转轴转动。

其中，所述盾之远离所述第二驱动单元的面上设置有万向轮，所述盾及所述万向轮与所述球形壳体内表面之间留有间隙。

本发明实施例具有如下优点或有益效果：

本发明实施例提供一种球形机器人，包括球形壳体、设置于所述球形壳体外表面的头部组件和收容于所述球形壳体内部的头部驱动组件，所述头部驱动组件包括导轨组件、第一驱动单元、第二驱动单元、导向滑块和盾，所述盾与所述头部组件之间通过磁力作用保持静止，所述头部组件贴附于所述球形壳体外表面，所述第一驱动单元驱动所述导向滑块在所述导轨组件上运动，以使得所述头部组件在所述球形壳体的外表面滑动；所述盾转动连接于所述导向滑块，所述第二驱动单元驱动所述盾相对所述导向滑块转动，以使得所述头部组件自转。本发明的球形机器人可以通过头部驱动组件控制头部组件的运动，实现对头部组件的单独控制，提升了球形机器人的灵活性和操控体验。

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附图。

图1为本发明实施例的球形机器人的结构示意图。

图2为本发明头部驱动组件结构示意图。

图3为本发明头部驱动组件的另外一种视图。

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做出创造性劳动的前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。

此外，以下各实施例的说明是参考附加的图示，用以例示本发明可用以实施的特定实施例。本发明中所提到的方向用语，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“内”、“外”、“侧面”等，仅是参考附加图式的方向，因此，使用的方向用语是为了更好、更清楚地说明及理解本发明，而不是指示或暗指所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸地连接，或者一体地连接；可以是机械连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

此外，在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。若本说明书中出现“工序”的用语，其不仅是指独立的工序，在与其它工序无法明确区别时，只要能实现该工序所预期的作用则也包括在本用语中。另外，本说明书中用“～”表示的数值范围是指将“～”前后记载的数值分别作为最小值及最大值包括在内的范围。在附图中，结构相似或相同的用相同的标号表示。

请参阅图1。图1为本发明实施例的球形机器人的结构示意图。本实施例中的球形机器人主要包括：球形壳体30、行走机构20、头部组件10和头部驱动组件50。所述行走机构20及所述头部驱动组件50收容于所述球形壳体30内部。所述行走机构20与所述球形壳体30内表面相抵接，并用于驱动所述球形壳体30滚动进而实现机器人的全方位行走，因所述行走机构20不是本发明保护的重点，此处不加以详细描述。所述头部驱动组件50用于驱动所述头部组件10相对于所述球形壳体30的外表面运动。所述行走机构20与所述头部驱动组件50相互独立工作。可以理解的是，由于行走机构20与所述头部驱动组件50相互独立工作。也就是说，无论所述行走机构20是否工作，所述头部驱动组件50均能驱动所述头部组件10绕所述球形壳体30的球心转动。即包括如下情况：

1.球体机器人保持原地静止，即所述球形外壳静止，所述头部驱动组件50驱动所述头部组件10绕所述球形壳体30的球心转动。

2.球体机器人为行进状态，即所述球形外壳为滚动状态，所述头部驱动组件50驱动所述头部组件10绕所述球形壳体30的球心转动。

请结合参阅图2。图2为本发明头部驱动组件结构示意图。具体的，所述头部驱动组件50包括导轨组件51、第一驱动单元、第二驱动单元、导向滑块522和盾53。所述盾53可以大致呈圆形框架结构，盾53上设置有第一磁体531，所述头部组件10上相应设置有第二磁体(未示出)，所述第一磁体531与所述第二磁体磁性相吸使得所述头部组件10贴附于所述球形壳体30外表面，并且所述头部组件10与所述盾53在磁力的作用下保持相对静止。所述导轨组件51与所述行走机构20固定连接。所述第一驱动单元连接所述导轨组件51及所述导向滑块522，所述盾53转动连接于所述导向滑块522，所述盾53能够跟随所述导向滑块522一起运动。所述导向滑块522安装于所述导轨组件51上，所述第一驱动单元用于驱动所述导向滑块522在所述导轨组件51上运动，以使得所述头部组件10在所述球形壳体30的外表面相应滑动。所述第二驱动单元驱动所述盾53相对所述导向滑块522转动，以使得所述头部组件10跟随所述盾53自转。优选的，所述盾53与所述球形壳体30内表面之间留有间隙，以减小所述盾53在运动过程中与球形壳体30内表面接触的摩擦力。

可以理解的是，所述第一磁体531和所述第二磁体中至少有一个为磁铁，另一个可以为磁铁或者铁块，此处不以为限。

本发明的球形机器人包括球形壳体30、设置于所述球形壳体30外表面的头部组件10和收容于所述球形壳体30内部的头部驱动组件50所述头部驱动组件50包括导轨组件51、第一驱动单元、第二驱动单元、导向滑块522和盾53，所述盾53与所述头部组件10之间通过磁力作用保持静止，所述头部组件10贴附于所述球形壳体30外表面，所述第一驱动单元驱动所述导向滑块522在所述导轨组件51上运动，以使得所述头部组件10在所述球形壳体30的外表面滑动；所述盾53转动连接于所述导向滑块522，所述第二驱动单元驱动所述盾53相对所述导向滑块522转动，以使得所述头部组件10自转。无论所述球形机器人处于静止或滚动状态，均可以通过头部驱动组件50中的第一驱动单元驱动所述头部组件10的移动，第二驱动单元驱动所述头部组件10的自转，控制头部组件10在球形壳体30外表面的移动和自转，实现对头部组件10的单独控制，提升了球形机器人的灵活性和操控体验。

本发明一种可能的实现方式中，所述导向滑块522大致呈“冂”状，所述导向滑块522的两个内侧壁上各设置有导向滑轮526。具体的，所述导向滑轮526与滑轮固定架(未编号)转动连接，所述滑轮固定架固定于所述导向滑块522内侧。所述导向滑轮526的旋转轴垂直于所述导向滑块522的顶部。

具体的，所述盾53连接于所述导向滑块522的顶部上，所述导向滑块522运动时，所述盾53跟随所述导向滑块522一起运动。所述第一驱动单元包括第一驱动电机521和第一齿轮523。所述导轨组件51包括第一弧形导轨511和底盘512，所述第一弧形导轨511连接于所述底盘512上，所述底盘512与所述行走机构20连接。所述第一弧形导轨511包括两个第一连接段5111和连接在两个第一连接段5111之间的第一弧形段5112，所述两个第一连接段5111对称设置，所述两个第一连接段5111的对称面经过所述球形壳体30的球心。这样设置的目的在于，当所述导向滑块522在所述第一弧形导轨511上移动时，带动所述盾53及所述头部组件10能够绕所述球形壳体30球心运动，保证盾53与头部组件10之间距离保持不变，头部组件10与盾53之间的磁力稳定，避免头部组件10晃动，防止头部组件10脱离球形壳体30外表面。所述第一弧形导轨511通过所述第一连接段5111连接于所述底盘512。可以理解的是，假如所述第一弧形导轨511的刚度足够的话，所述第一连接段5111的数量还可以为一个。所述第一弧形段5112外周面上设置有多个第一齿牙5113，所述第一弧形段5112的两个侧面上各设置有一导向条5114。所述导向滑块522安装于所述第一弧形导轨511，并且每一所述导向滑轮526卡接于一所述导向条5114上，所述导向滑轮526在所述导向条5114上移动以限制所述导向滑块522的移动方向。所述第一驱动电机521与所述导向滑块522固定连接，所述第一驱动电机521的转轴上固定有所述第一齿轮523，所述第一齿轮523与所述第一齿牙5113啮合设置。所述第一驱动电机521带动所述第一齿轮523转动，所述第一齿轮523与所述第一齿牙5113的啮合作用，使得所述导向滑块522在所述第一弧形导轨511上移动。可以理解的是，导向滑块522在所述第一弧形导轨511上移动，带动与所述导向滑块522连接的盾53一起移动，由于所述头部组件10与所述盾53之间保持相对静止且贴附于与球形壳体30外表面。即所述头部组件10可以在所述球形壳体30外表面滑动。

本发明一种可能的实现方式中，所述导轨组件51还包括第二弧形导轨513。所述第一驱动单元还包括第二驱动电机524和第二齿轮525。具体的，所述第一弧形导轨511通过所述两个第一连接段5111转动连接于所述底盘512。优选的，所述底盘512可以为碳纤维材料制成。进一步具体的，两个所述第一连接段5111上各设置有转轴5110，所述第一弧形导轨511通过所述转轴5110与所述底盘512转动连接，并且所述转轴5110与所述第二弧形导轨513的圆心共线。这样设置的目的在于，当所述第一弧形导轨511绕所述转轴5110转动时，带动所述盾53及头部组件10绕所述球形壳体30的球心运动，保证盾53与头部组件10之间距离保持不变，头部组件10与盾53之间的磁力稳定，避免头部组件10晃动。所述第二驱动电机524驱动用于驱动所述第一弧形导轨511绕所述转轴5110转动。具体的，所述第二齿轮525与所述第二驱动电机524转轴连接。所述第二弧形导轨513的包括两个第二连接段5116及连接在两个第二连接段5116之间的第二弧形段5117，所述第二弧形导轨513的两个第二连接段5116对称设置，且其对称面通过所述球形壳体30的球心。这样设置的目的在于，当所述第二驱动电机524驱动所述第二齿轮525在所述第二弧形导轨513上移动时，所述第一弧形导轨511恰好绕所述转轴5110转动。具体的，所述第二弧形导轨513通过所述第二连接段5116固定于所述底盘512上。所述第二弧形段的外周面上设置有第二齿牙5118。所述第二驱动电机524与所述第一弧形导轨511的第一连接段固定连接，所述第二齿轮525与所述第二齿牙5118啮合设置。所述第二驱动电机524带动所述第二齿轮525转动，由于所述第二齿轮525与所述第二齿牙5118的啮合作用，使得所述第二齿轮525在所述第二弧形导轨513上相对移动，带动所述第一弧形导轨511绕所述转轴转动。

本发明一种可能的实现方式中，所述第一弧形导轨511所在的平面与所述第二弧形导轨513所在的平面互相垂直。这样设置的好处在于，所述导向滑块522和盾53(在由所述第一弧形导轨511及所述第二弧形导轨513组成的导轨组件51上运动时)具有两个垂直方向的自由度，保证所述头部组件10能够在所述球形外壳上实现两个自由度的运动。

可以理解的是，对于头部组件10而言，头部组件10具有一定的重量，因此头部组件10相对于所述球形壳体30的球心的摆动角度不能过大。摆动的角度过大会造成头部组件10从所述球形壳体30上脱落。经过反复多次试验可知，当头部组件10相对于球形壳体30顶部的摆动的角度超过45°时，头部组件10从球形壳体30上脱落的概率会急剧上升。因此，应当保证头部组件10相对于最高点时的偏摆角度小于或等于45°。也就是说，所述第一弧形导轨511的圆心角小于或等于90°，且所述第二弧形导轨513的圆心角小于或等于90°。优选的，所述第一弧形导轨511的圆心角及所述第二弧形导轨513的圆心角为80°。

本发明一种可能的实现方式中，所述盾53之远离所述驱动单元的面上设置有第一万向轮532，所述盾53及所述第一万向轮532与所述球形壳体30内表面之间留有间隙。具体的，所述第一万向轮532可以为万向球轮或者麦克纳姆轮。所述第一万向轮532的作用在于，当球体机器人运动过程中，所述盾53有可能会由于震动而与球形壳体30内表面发生接触，此时通过所述第一万向轮532可以减小盾53与球形壳体30内表面接触时的摩擦阻力。可以理解的是，当球形机器人处于静止状态时，所述盾53及设置于盾53上的第一万向轮532与所述球形壳体30内表面之间留有间隙，使得所述盾53与所述第一万向轮532与所述球形壳体30内表面之间恰好不接触，从而减小盾53运动时的阻力。

请结合参阅图3，图3为本发明头部驱动组件的另外一种视图。本发明一种可能的实现方式中，所述第二驱动单元包括第三驱动电机61，所述第三驱动电机61连接在所述导向滑块522与所述盾53之间，所述第三驱动电机61用于驱动所述盾53沿其圆心自转，进而实现头部组件10的原地自转功能。通过第三驱动电机61驱动头部组件10自转，使得头部组件10的运动具有自转的自由度。

具体的，所述第二驱动单元还包括转动轴。所述盾53与所述导向滑块522通过转动轴62转动连接。进一步具体的，所述转动轴62包括连接轴621、轴承内圈上盖622、轴承外圈下盖623和转动轴承624。所述连接轴621一端与所述导向滑块522之间通过螺钉固定连接。所述连接轴621在靠近另一端的位置上设置有抵接台625，所述转动轴承624的内圈套接于所述连接轴621的另一端并与所述抵接台625相抵接，所述轴承内圈上盖622通过螺钉固定于所述连接轴621的另一端，所述转动轴承624内圈抵接于所述抵接头与所述轴承内圈上盖622之间。可以理解的是，所述转动轴承624的内圈与所述连接轴621固定且保持静止。所述盾53上设置有轴承外圈座(未示出)，所述转动轴承624的外圈与所述盾53的轴承外圈座相抵接，所述轴承外圈下盖623穿过所述连接轴621并通过螺钉固定于所述盾53上，所述外圈夹持于所述盾53的轴承外圈座与所述轴承外圈下盖623之间。可以理解的是，所述外圈与所述盾53固定且保持静止。

进一步具体的，所述第三驱动电机61通过电机座611与连接轴621固定连接，所述第二驱动单元还包括与所述第三驱动电机61转轴固定连接的第三齿轮612。所述导第二驱动单元还包括环形导轨63，所述环形导轨63大致呈圆环形，环形导轨63内侧设置有第三齿牙631。也就是说，所述环形导轨63类似于内齿轮状。所述环形导轨63固定于所述盾53靠近所述驱动单元的面上。优选的，所述环形导轨63的圆心与所述转动轴62(连接轴621)的轴线共线。这样设置的目的在于使得所述盾53及头部组件10沿盾53的圆心自转。所述第三齿轮612与所述环形导轨63上的齿牙啮合设置。当所述第三驱动电机61带动所述第三齿轮612转动时，由于第三齿轮612与所述第三齿牙631的啮合作用，所述环形导轨63带动所述盾53及转动轴承624的外圈一起相对于所述转动轴承624的内圈转动。也就是说，所述盾53绕所述转动轴62转动，进而带动所述头部组件10自转。

本发明一种可能的实现方式中，所述头部组件10包括头壳11和第二万向轮13。可选的，上述第二磁体可以收容于所述头壳11中。所述第二万向轮的数量为多个，所述多个第二万向轮13均匀分布于所述头壳之靠近所述球形壳体30的端面上。所述第二万向轮13与所述球形壳体30相抵接。所述第二万向轮13能够减小头部组件10与球形壳体30相对滑动时的摩擦力。具体的，所述第二万向轮13可以为麦克纳姆轮或者万向球轮等。

可以理解的是，本发明的球形机器人中还包括供电组件、控制组件、信息传输组件、传感组件等等。因其不是本发明的重点，因此未作详尽介绍。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述的实施方式，并不构成对该技术方案保护范围的限定。任何在上述实施方式的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在该技术方案的保护范围之内。