本专利申请对于所有共同主题方面根据35U.S.C.120要求于 2016年8月12日提交的标题为“具有枢转头部的球形可移动机器人”的共同受让的美国专利申请第15/235,554号(“申请'554”)的优先权，并且本专利申请是申请'554的部分继续申请。申请'554通过引用整体并入本申请。
技术领域
本实用新型的实施方式涉及机器人技术。更具体地，本实用新型的实施方式涉及球形可移动机器人。
背景技术：
现有技术的球形机器人通常利用“仓鼠球”设计。在“仓鼠球”设计中，内部漂球(rover)在球壳内移动。内部漂球是独立的，与球形球不连接。这提供了低效的设计，因为驱动基本上是通过使漂球向上移动到壁侧面并允许漂球的重量使球形球向前滚动来进行的。该设计也是有效的，因为其限制了电机的尺寸，但其取决于球形球内部的牵引力，并且难以操纵。现有技术中缺少的是高效且容易操作的球形机器人。
技术实现要素：
本实用新型的实施方式通过提供一种具有重心转移转向机构的球形可移动机器人来解决上述所讨论的问题。球形可移动机器人包括固定在球壳上的静态驱动系统。被固定的驱动系统允许驱动系统在使球壳转向时更高效。重心转移转向机构允许可移动机器人在通过使可移动机器人的质心不与可移动机器人的几何中心竖直地对齐而被驱动时转向。
本实用新型的第一实施方式涉及一种包括球壳和内部组件的可移动机器人。内部组件设置在球壳内。内部组件包括基座、驱动组件和重心转移转向机构。驱动组件构造为推进可移动机器人。驱动组件可旋转地固定到球壳上，使得驱动组件的旋转被传递至球壳。重心转移转向机构构造为相对于球壳的几何中心移动可移动机器人的质心。
本实用新型的第二实施方式涉及一种构造为用于可移动机器人的内部组件。内部组件包括基座和重心转移转向机构。重心转移转向机构与基座相关联。重心转移转向机构包括压载重物和与压载重物相关联的压载电机。压载电机构造为使压载重物在默认位置和转向位置之间移动。压载电机构造为相对于可移动机器人的几何中心改变内部组件的质心。
本实用新型的第三实施方式涉及一种包括球壳和内部组件的可移动机器人。内部组件设置在球壳内。内部组件包括基座、构造为推进可移动机器人的驱动组件、和重心转移转向机构。驱动组件可旋转地固定到球壳上，使得驱动组件的旋转被传递至球壳。重心转移转向机构包括压载重物和与压载重物相关联的压载电机。压载电机构造为使压载重物在默认位置和转向位置之间移动。压载电机构造为相对于可移动机器人的几何中心改变内部组件的质心。
提供本实用新型内容从而以简化的形式介绍概念的选择，这会在下面的详细说明中进行进一步描述。本实用新型内容无意于确定所要求保护的主题的主要特征或基本特征，也无意于用于限制所要求保护的主题的范围。从以下对实施方式和附图的详细描述中，本实用新型的实施方式的其他方面和优点将变得显而易见。
附图说明
以下参考附图详细描述本实用新型的实施方式，其中：
图1是可移动机器人的侧视图；
图2是图1的可移动机器人的立体图，去除了球壳以示出内部组件；
图3a是图2的可移动机器人的内部组件的立体图；
图3b是图3a的内部组件顺时针旋转90度的立体图；
图4是图3a的内部组件的各部件的分解图；
图5是内部组件的枢转臂的立体图；
图6是从底侧总体上观察的可移动机器人的头部的立体图；
图7是包括用户遥控器和用户装置的可移动机器人的各计算部件的示意图；
图8是利用自转飞轮来使可移动机器人自转的本实用新型另一实施方式的立体图；以及
图9是图4的可移动机器人的内部组件的各部件的分解图。
附图并不将本实用新型限制于本文公开和描述的具体实施方式。附图不一定按比例绘制，而是重点在于清楚地说明本实用新型的原理。
具体实施方式
以下详细描述参考示出了可以实施本实用新型的具体实施方式的附图进行。实施方式旨在足够详细地描述本实用新型的各方面以使本领域技术人员能够实施本实用新型。在不脱离本实用新型的范围的情况下，可以利用其他实施方式并进行改变。因此，以下详细描述不被认为是限制性的。本实用新型的范围仅由所附权利要求以及这些权利要求的等同物的全部范围来限定。
在本说明书中，提及“一种实施方式”、“一个实施方式”或“多个实施方式”时，意味着所涉及的一个或多个特征被包括在该技术的至少一个实施方式中。在本说明书中分开提及“一种实施方式”、“一个实施方式”或“多个实施方式”时，意味着所涉及的一个或多个特征被包括在该技术的至少一个实施方式”时，不一定指代相同的实施方式，并且除非另有说明和/或除了对于本领域技术人员从本说明书显而易见地得到之外，也不是相互排斥的。例如，在一种实施方式中描述的特征、结构、动作等也可以包括在其他实施方式中，但不一定包括在内。因此，当前的技术可以包括本文所述的实施方式的各种组合和/或整合。
参见图1，本实用新型的实施方式涉及可移动机器人10。可移动机器人10概括而言包括球壳12、头部14和内部组件16(如图2所示)。球壳12包围内部组件16并且保护内部组件16免受灰尘、碎屑或其它干扰组分。内部组件16以所需的方向或路径驱动球壳12。头部14设置在球壳12的顶部，并通过内部组件16可移动地保持就位，如下所述。头部14为传感器、扬声器和其他环境交互设备提供稳定和可移动的平台。
在更详细地讨论可移动机器人10的部件之前，将讨论参考框架系统以为读者定向。应当理解，参考框架仅是示例性的并且被用于简化概念。参考框架在图2-4中示出。如图所示，参考框架包括x轴、y轴和 z轴。各轴彼此垂直以形成传统的三维笛卡尔坐标系。下面的讨论可以包括沿着上述讨论的轴中的一个或多个的平移。下面的讨论还可以包括围绕上述讨论的轴中的一个或多个的旋转。围绕x轴的旋转可以被称为“左右滚动(roll)”。围绕y轴的旋转可以被称为“前后滚动(pitch)”。围绕z轴的旋转可以被称为“自旋(yaw)”或“自转(spin)”。在本实用新型的实施方式中，围绕一个或多个轴的旋转可以引起沿另一个或多个轴的平移。例如，由于球壳在下面的表面(例如，球壳下面的地面或其它表面)上左右滚，前后滚(例如围绕y轴的旋转)引起沿x轴的平移运动。
内部组件16构造为通过使球壳12围绕大体上垂直于x轴的y轴旋转来使可移动机器人10在x轴的方向上移动。应当理解，在本实用新型的实施方式中，球壳12通常在y轴被固定，并且内部组件16通常在y轴也被固定。因此，x轴通常是由围绕y轴的旋转(例如前后滚动) 引起的运动方向。如下所述，通过在围绕y轴旋转(例如前后滚动)的同时围绕x轴旋转(例如左右滚动)来完成转向。z轴被定义为垂直于 x轴和y轴两者并且大致向上定向。在本实用新型的实施方式中，笛卡尔坐标系的原点位于球壳12的几何中心。
在本实用新型的实施方式中，球壳12为内部组件16提供外部保护。球壳12用作内部组件16的轮。可移动机器人10通过使球壳12围绕内部组件16旋转而移动。球壳12呈现为球体壁18。球体(也称为回转椭球体)是围绕主轴旋转的椭圆体。球体可以是扁长的(例如“长形的”)、扁圆的(例如“扁平的”)或球形的。在本实用新型的一些实施方式中，球壳12基本上是球形的(如图1所示)。由于球壳12仅围绕固定的y轴旋转，因此在本实用新型的其他实施方式中，球壳12是大体扁平或扁圆的球体。在这些实施方式中，非圆形轴侧向(例如，沿着 y轴)排列，以允许圆形轴围绕y轴的旋转。
球壳12的外表面20构造为与地面接合。例如，外表面20可以被加固以沿着包括梯级、凸起、沟槽、凹部和/或类似物的地面滚动。当可移动机器人10移动时，外表面20沿着地面滚动。内表面22构造为固定到内部组件16。在本实用新型的实施方式中，球壳12沿y轴可旋转地固定到驱动组件30。球壳12基本上是中空的，以允许内部组件16 设置在球壳12中。与现有技术的球形机器人--其中内部漂球的独立轮沿着壳的内表面滚动--不同，球壳12的内表面22的大部分不与内部组件 16接触。因此，在球壳12内考虑了对由特定材料(例如较轻的材料) 等制成的壳进行支撑的加强结构(未示出)，以例如在崎岖地形上利用可移动机器人10、以使用更大的球壳。
在本实用新型的一些实施方式中，球壳12可以包括标记。标记可以具有装饰性、美感、信息性、功能性等。在本实用新型的一些实施方式中，球壳12还可以包括孔24，以允许到达球壳12的内部。孔24可允许用户到达球壳12的内部以进行修理和更换零件(如电池)。孔24 还可以允许内部组件16的部件到达球壳12的外部。例如，内部组件16 的各个部件(未示出)可以向外延伸，所述部件例如是设置有工具或传感器的稳定用悬臂梁或铰接臂。
现在将更详细地讨论内部组件16，如图2-4所示。内部组件16 设置在球壳12内，用于推进可移动机器人10。在本实用新型的实施方式中，内部组件16在主方向和次方向上推进可移动机器人10。主方向是行进的主方向。当可移动机器人10沿着主方向行进时，次方向使可移动机器人10转向。两个方向可以包括线性地沿x轴的方向和围绕x 轴可旋转的方向(例如，使得其大体上朝向y轴移动)。通过利用这至少两个方向，可以实现基本上所有方向上的移动。通过同时利用这至少两个方向，也可以实现在移动期间的转弯和其他动作。内部组件16也可以使其本身基本竖直地排布。竖直排布允许内部组件16控制头部14 相对于内部组件16和相对于球壳12的位置、运动和定向。
在本实用新型的实施方式中(最佳地如图2和图3a所示)，内部组件16包括基座26、重心转移转向机构28、驱动组件30和枢转臂32。基座26为其他部件提供结构稳定性及其固定。重心转移转向机构28通过使可移动机器人10的质心(也可以称为重心)移位来控制可移动机器人10在各个方向上的转向。驱动组件30通过围绕基座26驱动球壳 12来控制关于x轴的横向运动。枢转臂32控制头部14相对于基座26 和相对于球壳12的运动。头部14磁性地固定到枢转臂32，如下所述。
在本实用新型的实施方式中，基座26包括第一壳体34和第二壳体36。第一壳体34固定到第二壳体36和/或内部组件16的其他各个部件。在一些实施方式中，如图4所示，第一壳体34可以沿着x轴与第二壳体36相对设置。第一壳体34和第二壳体36共同提供空隙38，各个部件设置在该空隙中。
电池40或电池阵列可以设置在第一壳体34和第二壳体36的电池室42中。电池阵列可以为本文所述的各电子部件和电机供电。在其他实施方式中，基座26可以包括单个壳体或者可以使用多个壳体。例如，电池40可以是可再充电的镍-金属氢氧化物(NiMH)电池。电池阵列可以是7.2V电池组，其构造为向基座26内的各个电机供电。如下所述，电池40可以经由在下文做更深入描述的孔24充电。
现在将更详细地讨论重心转移转向机构28。在本实用新型的实施方式中，重心转移转向机构28被固定到基座26的底侧44或者以其他方式与其相关联，如图2及图4所示，底侧44与上面设置有枢转臂32 的顶侧42相对(并在下面讨论)。重心转移转向机构28构造成围绕x 轴旋转，从而引起基座26和球壳12围绕x轴倾斜。重心转移转向机构 28还通过提供由于质量引起的向下的力而使基座26保持基本上与z轴竖直对齐。
重心转移转向机构28使可移动机器人10在上述次方向上移动。这种情况下的次方向是围绕x轴旋转(例如，左右滚动方向)。如果可移动机器人10是静止的，则对重心转移转向机构28的操作将使可移动机器人10向左侧或右侧倾斜(例如，从位于可移动机器人10顶部的观察者的角度看，面向主行进方向)。因此，重心转移转向机构28与下面描述的驱动系统的组合允许可移动机器人10沿x轴移动并围绕x轴旋转。这样，可移动机器人10能够沿着x轴的方向前后移动，并且在总体的x轴方向上行进的同时转向左边和右边。
通过将可移动机器人10的质心水平地远离球壳12的几何中心移动(例如，从与x轴竖直对齐远离)而实现转向。应当理解，球壳12 的几何中心(未示出)基本上位于由球壳12(不包括头部14)限定的球体形状的中心。几何中心也可以近似为三维笛卡尔坐标系的交点，最佳地如图4所示。几何中心在球壳12内是静止且稳定的。在本实用新型的实施方式中，当重心转移转向机构28处于默认位置时，可移动机器人10的质心在竖向上位于几何中心下方(例如沿着z轴)。质心设置在几何中心以下，以有助于可移动机器人10的稳定性，并允许可移动机器人10在受到撞击之后进行自校正。应当注意，如本文所使用的，默认位置是指通过驱动组件30引起直接行进的位置。在一些实施方式中，默认位置可以不与z轴竖直对齐。在一些实施方式中，默认位置可以不是对系统供电时的原始位置。
重心转移转向机构28构造成使压载重物46在默认位置和第一转向位置之间移动。在默认位置，压载重物46在竖向上设置在几何中心下方(例如，基本上与z轴对齐)。在第一转向位置，压载重物46设置为远离可移动机器人10的几何中心的竖向下方。在第一转向位置，重心转移转向机构28拉动、推动、枢转、移动、操纵或者以其他方式使压载重物46的至少一部分离开默认位置。由此，可移动装置的质心移动了与默认位置和第一转向位置之间的距离相关的距离。还应当理解，第二转向位置可以与第一转向位置相反，以在相反方向上产生类似的转向。还应当理解，在本实用新型的实施方式中，在默认位置和第一转向位置之间存在多个第一中间转向位置，在默认位置和第二转向位置之间存在多个第二中间转向位置。
为了使质心相对于球壳12的几何中心的移位最大化，在本实用新型的实施方式中，压载重物46至少部分地相邻于球壳12设置。将压载重物46相邻于球壳12(与几何中心附近相反)设置，会提高可移动机器人10对外力(例如撞击墙壁或其他障碍物，未示出)的平衡和自校正，并且会增加压载重物46在默认位置和第一转向位置之间移动时的转向有效性。
在本实用新型的实施方式中，压载重物46包括可移动机器人10 的总重量的很大一部分。如本文所用，“很大一部分”可以包括可移动机器人10的总重量的至少20％，总重量的至少30％，总重量的至少 40％，或总重量的至少50％。通过使总重量的很大一部分侧向移位，可移动机器人10将向一侧倾斜。由于重量的很大一部分与几何中心不对齐，可移动机器人10的z轴将偏离竖直对齐。由此，球壳12和下表面 (例如，放置可移动机器人10的地面或其他表面，为了说明的目的假定为水平的，但可以具有任意角度、形状、地势或其他特征)之间的接触点不与z轴对齐。相反，接触点沿着球壳12的外表面朝y轴侧向设置。
现在将更详细地讨论重心转移转向机构28的结构。应当理解，重心转移转向机构28的上述功能和方法可以通过许多结构中的任何一种来实现。下面讨论的齿条和小齿轮的设计仅仅是示例性的，并且可以利用其他结构。下面讨论重心转移转向机构28的实施方式的其它示例，诸如摆锤设计。
在本实用新型的实施方式中，重心转移转向机构28与基座26相关联。因此，重心转移转向机构28相对于基座26重心转移。重心转移转向机构28通过以围绕x轴的相应左右滚动形式移动压载重物46(或通过以其他方式侧向转移压载重物46)来移动质心以引起围绕x轴的左右滚动。重心转移转向机构28构造成在压载重物46处于转向位置的同时以第一角速率使可移动机器人10转向。如本文所使用的，角速率是对于给定的向前行进而言可移动机器人10转向(相对于x轴方向)的角度。因此，应当理解，转向角速率可以根据压载重物46的位置、可移动机器人10的前进速度、移动中的压载重物46的速度、下表面的特征和其他因素而变化。
重心转移转向机构28的至少一部分固定到基座26，与基座26接触，或以其他方式与基座26相关联。在本实用新型的实施方式中，与基座26相关联的重心转移转向机构28包括压载重物46和与压载重物 46相关联的压载电机48。压载电机48构造成使压载重物46在默认位置(如图2及图3a所示)和转向位置之间移动。压载电机48在压载重物46和/或基座26上施加力，以使压载重物46在默认位置和转向位置之间移动。压载电机48还可以将压载重物46保持在默认位置和转向位置中的任一个或两者中。因此，压载电机48构造为相对于可移动机器人10的几何中心改变内部组件16的质心。
在本实用新型的实施方式中，重心转移转向机构28利用齿条和小齿轮设计来相对于基座26移动压载重物46。在这些实施方式中，重心转移转向机构28与固定到基座26的重物轨道50相关联。在一些实施方式中，重物轨道50是基座26的部件。在其他实施方式中，重物轨道 50是重心转移转向机构28的部件。重物轨道50提供了压载重物46在默认位置和第一转向位置之间行进的路径或路线。压载重物46构造成沿重物轨道50移动。
在本实用新型的实施方式中，重物轨道50具有多个轨道凸起52，轨道凸起52构造成与同压载电机48相关联的小齿轮54接合。每个轨道凸起52沿重物轨道50设置并以间距D隔开，如图2及图3a所示。应当理解，每个轨道凸起52与相邻的轨道凸起52隔开相同的(或基本上相同的)间距。这样，与压载电机48相关联的在其上行进的小齿轮 54(具有一组小齿轮凸起56)将使小齿轮凸起56与轨道凸起52啮合。旋转的小齿轮54推动静止的轨道凸起52，将在压载电机48上施加力以相对于可移动机器人10的几何中心移动压载电机48。在未示出的其他实施方式中，重物轨道50具有多个轨道凹部，轨道凹部构造为与小齿轮凸起56接合。在其他实施方式中，重物轨道50具有构造成与多个小齿轮凹部相接合的多个轨道凹部。
在本实用新型的实施方式中，重物轨道50通常为弓形。由于诸如上述原因的原因，弓形使压载重物46远离可移动机器人10的几何中心。在这些实施方式中的一些实施方式中，重物轨道50是圆弧(例如，圆的一段)，诸如图3a中所示。圆弧形状相邻于、靠近球壳12设置，或以其他方式与球壳12相关联。在一些实施方式中，诸如图2中所示，重物轨道50的圆弧形状将压载重物46定位为相邻于球壳12的内表面。压载重物46与可移动机器人10的几何中心之间的分隔距离在所有位置 (例如，默认位置、第一转向位置、与第一转向位置相对的第二转向位置，以及默认位置与第一转向位置之间、默认位置与第二转向位置之间的中间位置)基本上是恒定的。由此，在这些实施方式中，由圆弧限定的圆的中心就像球壳12的几何中心一样基本上位于相同的位置。从几何中心到球壳12的半径大于相应的从几何中心到重物轨道50的半径。在实施方式中，重物轨道50相对于基座26向下定向。在一些实施方式中，圆弧的中点沿着z轴设置，使得重物轨道50的右端和左端各自设置在与默认位置相等距离处。
在未示出的其他实施方式中，重物轨道50可以是基本上直的并且水平定向。在未示出的其他实施方式中，重物轨道50可以是弓形的，其具有与基座26内或附近的可用空间相匹配的形状。在未示出的其他实施方式中，重物轨道50是具有相关联的中心点的圆弧，该中心点高于或低于球壳12的几何中心。
在本实用新型的实施方式中，重物轨道50包括前缘件58和与前缘件58相对的后缘件60。前缘件58和后缘件60各自从基座26横向凸出。前缘件58和后缘件60各自具有上侧62和下侧64。在本实用新型的实施方式中，如图2及图4所示，重物轨道50的轨道凸起52与前缘件58的上侧62相关联，或至少部分地设置在前缘件58的上侧62上。后缘件60的上侧62基本上是平滑的。在未示出的其他实施方式中，重物轨道50是与前缘件58的上侧62相关联的前重物轨道50，并且后重物轨道50与后重物轨道50的上侧62相关联。在未示出的其他实施方式中，重物轨道50与前缘件58的下侧64相关联。应当理解，“前”和“后”用作一般的侧面指定，并且在本实用新型的实施方式中，可移动机器人10同样能够向后方行进。因此，在本实用新型的一些实施方式中，“前”和“后”可能没有实际差别。
前缘件58和后缘件60构造成接收其周围的压载重物46。在本实用新型的实施方式中，压载重物46设置在前缘件58和后缘件60周围，使得压载重物46可移动地固定到重物轨道50。因此，前缘件58和后缘件60使压载重物46保持抵靠前缘件58和后缘件60(并且因此与重物轨道50接触)。
最佳地如图4所示，在本实用新型的实施方式中，前缘件58与固定到基座26上的前边板66相关联，并且后缘件60与固定到基座26的后边板68相关联。在本实用新型的实施方式中，前边板66和后边板68 各自包括基座接合板70和从基座接合板70凸出的止动凸起72。基座接合板70构造成固定到基座26以提供稳定的重物轨道50。在本实用新型的实施方式中，基座接合板70呈与第一壳体34和第二壳体36的外部形状互补的半圆形形状。止动凸起72防止压载重物46超过最大运动范围。在本实用新型的实施方式中，如图3a和3b所示，前缘件58和后缘件60都分别在重物轨道50的每一侧上具有两个止动凸起72。
在本实用新型的实施方式中，压载重物46由致密金属或其它致密材料形成。为了至少三个目的中的任何一个，压载重物46致密且重。首先，致密的压载重物46倾向于使可移动机器人10沿着z轴大致直立 (例如竖直地)。这会是有利的，因为这倾向于使头部14(与压载重物 46相对)远离地面，其中在地面处时头部14可能从枢转臂32移开。其次，重的压载重物46可以有助于确保可移动机器人10在驱动组件30 旋转时在x轴方向向前行进。如果内部组件16关于y轴重量基本上均匀，则驱动组件30的旋转运动(如下所述)将倾向于使内部组件16在球壳12内旋转，而不是在x轴方向上向前(或向后)推动球壳12。第三个潜在原因是，致密且重的压载重物46(与基座26的致密且重的下部区域相对)协助围绕x轴旋转(例如左右滚动)。致密且重的压载重物46将会在可移动机器人10内移动时对可移动机器人10施加较大的力矩。在一些实施方式中，压载重物46可以是可移动机器人10的总质量的至少25％，可移动机器人10的总质量的至少50％，或可移动机器人10的总质量的至少75％。
在本实用新型的实施方式中，压载重物46包括压载安装支架74 和配重体76。压载安装支架74构造成将配重体76相邻于重物轨道50 固定。最佳地如图4所示，配重体76可以呈大致半圆形的棱柱或大致圆柱形部分的形状。这种形状构造成使可以在相邻球壳12的内表面22 施加的重量最大化(最佳地如图2所示)。配重体76可以进一步具有前突起78和/或后突起80。前突起78和后突起80各自是从配重体76开始的扩大凸起，构造成在远离重物轨道50的位置添加附加质量，在该位置处，球壳12的内部具有额外的可用空间。在本实用新型的一些实施方式中，后突起80比前突起78大(例如更重)，以均衡压载电机48 和相关部件的重量(压载电机48和相关部件位于前侧，如图2所示)，这将在下面进行讨论。
压载安装支架74(最佳地如图4所示)包括前钩82、后钩84、电机安装座86和横移支架88。前钩82构造成围绕前缘件58设置。后钩84构造成围绕后缘件60设置。横移支架88设置在前钩82和后钩84 之间，以便保持前钩82和后钩84之间的距离。前钩82和后钩84支撑各种位置下的压载重物46的重量。电机安装座86构造成在电机安装座 86中接收压载电机48。
在本实用新型的实施方式中，通过将前钩82设置在前缘件58周围并将后钩84设置在后缘件60周围而形成压载重物46。然后将前钩82和后钩84用紧固件(未示出)固定到横移支架88。由此，压载安装支架74固定到重物轨道50。然后，配重体76例如从下方用紧固件固定到压载安装支架74上。
在本实用新型的实施方式中，前钩82和后钩84具有低摩擦承载表面，低摩擦承载表面构造成分别沿着前缘件58和后缘件60滑动。低摩擦承载表面可以是前钩82和后钩84上的涂层，或者前钩82和后钩 84可以完全由低摩擦材料形成。作为示例，低摩擦承载表面可以由聚甲醛(“POM”)、缩醛或其它低摩擦材料形成。在本实用新型的实施方式中，前缘件58和后缘件60也具有低摩擦承载表面。
在本实用新型的实施方式中，压载电机48在压载安装支架74的电机安装座86处固定地紧固到压载重物46。压载电机48的小齿轮54 沿重物轨道50移动，从而将压载重物46在相应方向上移动相应距离。压载电机48通过沿着重物轨道50横移压载重物46而将压载重物46在默认位置和转向位置之间移动。如上所述，压载电机48与构造成相对于齿条旋转的小齿轮54相关联，以产生小齿轮54相对于齿条的线性横移运动。压载重物46的线性运动使压载重物46在默认位置和转向位置之间移动。
现在将更详细地描述压载电机48。压载电机48在图4中最佳地示出。压载电机48可以包括电机90、小齿轮54、开关92和电位计94。电机90驱动小齿轮54以使压载重物46移动，如上所述。开关92在默认位置被启动，以提供压载重物46相对于基座26的当前位置的反馈。电位计94测量压载重物46的行进程度。在其他实施方式中，距离传感器用于检测压载重物46相对于基座26的位置。在另外的实施方式中，与小齿轮凸起56的接触是通过在重物轨道50上或与重物轨道50相关联的传感器进行电检测的。
压载电机48由基座26中的电池40供电。在实施方式中，来自电池40的电力经由导线(未示出)传递到压载电机48。导线允许压载电机48在保持来自电池40的电力的同时在各种位置之间行进。在其他实施方式中，压载电机48与构造为对压载电机48供电的独立电池(未示出)相关联。当压载电机48处于默认位置时，独立的电池可以通过直接接触而进行充电。
在未示出的其他实施方式中，代替上述和附图中所示的齿条和小齿轮设计或在上述齿条和小齿轮设计之外，重心转移转向机构28具有摆锤设计。这些实施方式的重心转移转向机构28包括杆和摆锤。杆的上端可枢转地固定在球壳12的几何中心处或附近。杆的下端固定地紧固到摆锤。代替自由悬挂的摆锤，重物电机使杆相对于基座26枢转，以改变摆锤相对于基座26的位置。摆锤是压载重物46，以使可移动机器人10转向，如上所述。重物电机可以与使杆相对于基座26移动的致动器相关联。在一些实施方式中，致动器是可枢转地固定至杆的上端和下端之间的线性致动器。在其他实施方式中，致动器是与杆的上端相关联的旋转致动器。
现在将更详细地讨论驱动组件30。驱动组件30可旋转地紧固到球壳12的内表面22。驱动组件30构造成通过沿着y轴围绕基座26旋转球壳12来推动可移动机器人10。驱动组件30相对于球壳12固定，使得内部组件16不是自由的和独立于球壳12的(在现有技术的“仓鼠球”设计中常见的是，内部组件是自由且独立于球壳的)。驱动组件30 在图4中最佳地示出。
在本实用新型的实施方式中，驱动组件30包括驱动电机96、驱动轮轴98、驱动轴100和至少一个驱动器-壳体附接支架102。驱动轮轴98和驱动轴100大致与y轴对齐，使得球壳12的旋转被施加在驱动轮轴98和驱动轴100上。驱动电机96使驱动轴100和/或驱动轮轴98 旋转。在本实用新型的实施方式中，驱动电机96将驱动轴100从驱动电机96的第一侧104旋出，并将驱动轮轴98从驱动电机96的第二侧 106旋出。驱动轴100驱动第一驱动器-壳体附接支架10(其被固定到球壳12的内表面22，如下所述)。驱动轮轴98穿过基座26(例如通过壳体中的一组轮轴开口110)，以驱动第二驱动器-壳体附接支架112。
在一些实施方式中，驱动轴100提供主旋转力而驱动轮轴98是自由自转的。在这些实施方式中，球壳12仅由驱动轴100驱动，并且驱动轮轴98使驱动轴100保持沿y轴对齐。在其他实施方式中，驱动轮轴98固定到驱动轴100(或驱动电机96的其它部件)，使得驱动轮轴 98也被驱动。在这些实施方式中，驱动轮轴98将驱动力传递到第二驱动器-壳体附接支架112。在其他实施方式中，驱动电机96基本在z轴附近排列，使得驱动轮轴98驱动两个驱动器-壳体附接支架102(没有如图4所示的驱动轴100)。
在本实用新型的实施方式中，驱动器-壳体附接支架102构造成固定到球壳12的内表面22。驱动器-壳体附接支架102包括面114、支撑蜂窝116、至少一个紧固件接收器118和驱动器接收器120。面114呈现与球壳12的内表面22大致互补的形状。例如，如图4所示，面114 可以大致为弓形。支撑蜂窝116为驱动器-壳体附接支架102提供结构支撑。至少一个紧固件接收器118构造成接收穿过其中的紧固件(未示出)。紧固件还穿过球壳12的内表面22中的相应的紧固件接收器(未示出) 来设置。在本实用新型的其他实施方式中，使用另一紧固方法，例如通过焊接或通过化学粘合剂进行紧固。
在本实用新型的实施方式中，最佳地如图4所示，驱动器接收器 120构造成接收穿过其中的驱动轴100或驱动轮轴98。在本实用新型的一些实施方式中，与第一驱动器-壳体附接支架108相关联的第一驱动器接收器122具有六边形开口124，与第二驱动器-外壳附接支架112相关联的第二驱动器接收器126具有带切口的圆形开口128，如图4所示。六边形开口124具有与驱动轴100的六边形凸起130互补的形状。带切口的圆形开口128具有与驱动轮轴98的带切口的圆形凸起132互补的形状。在其他实施方式中，可以利用其他固定方法和结构。例如，驱动轮轴98和驱动轴100可以通过机械紧固件、化学粘合剂或焊接固定到它们各自的驱动器-轴接口，或者驱动轮轴98和驱动轴100可以是一体的。应当理解，在本实用新型的实施方式中，没有沿着球壳12的内表面22行进的内轮。
在本实用新型的实施方式中，驱动轮轴98的带切口的圆形凸起 132允许将固定板134设置在其中。固定板134(最佳地如图3a所示) 至少部分地延伸通过孔24，该孔24穿过球壳12(如图1所示)。固定板134允许用户通过球壳12进入内部组件16。当驱动轮轴98绕固定板 134旋转时，固定板134保持基本上与竖直的z轴对齐。驱动组件30的固定板134可以包括充电孔136、电源开关138和状态指示器140。充电孔136构造为在其中接收充电电缆(未示出)，用于对电池40和内部组件16的其他部件充电。电源开关138允许用户对内部组件16通电和断电(并且扩展至对可移动机器人10通电和断电)。在一些实施方式中，头部14具有头部电源开关，用于用户向头部14、未示出的头部充电孔和头部状态指示器提供电力。
现在将讨论枢转臂32，最佳地如图4和图5中所示。枢转臂32 将头部14以某个位置和方向固定在球壳12上。由于几种原因，头部14 的某个位置和方向可能是用户和/或处理器所需要的。例如，当在某个方向(例如朝向障碍物或用户)指向传感器、将某些信息中继给用户、执行某些动作等时，头部14的位置和方向可能是期望的。头部14也可以移动到一定的位置和方向，以保持可移动机器人10在某个方向平衡和/ 或移动。枢转臂32通过施加到头部14的磁吸引力或其他力来固定头部 14。枢转臂32可枢转地固定到基座26，使得枢转臂32的末端的磁化端 142构造成相对于基座26枢转。
在本实用新型的一些实施方式中，枢转臂32的磁化端142构造成围绕x轴、y轴和z轴移动。这可能包括同时围绕多于一个轴移动。当枢转臂32的磁化端142枢转时，枢转臂32基本上保持相邻于球壳12 的内表面22。这确保了磁化端142与头部14保持基本相似的距离，而无论磁化端142相对于基座26的位置如何。因此，围绕x轴和围绕y 轴的枢转可以是基本上交叉轴向的，使得围绕x轴和围绕y轴的枢转穿过球壳12的大致的几何中心。应当理解，驱动轮轴98也可以穿过球壳 12的几何中心，如图4所示。
在本实用新型的实施方式中，枢转臂32包括x枢轴装置144、y 枢轴装置146、z枢轴装置148、支撑板150和磁性凸起组152。x枢轴装置144、y枢轴装置146和z枢轴装置148中的每一个构造成使磁化端142围绕它们各自的轴旋转。x枢轴装置144、y枢轴装置146和z 枢轴装置148也构造为彼此协调地使用，以达到在x轴和y轴之外的中间位置和定向。x枢轴装置144和y枢轴装置146确定磁化端142离开实际的竖直z轴的位置。z枢轴装置148确定在该位置处的磁化端142 的定向。应当理解，在一些实施方式中，基于磁化端142的给定位置， x枢轴装置144、y枢轴装置146和z枢轴装置148围绕相关轴线枢转。例如，z枢转装置148可以沿着纵轴旋转磁化端142。由此，纵轴可以被称为相关的z轴，因为纵轴与z轴对齐，而x枢轴装置144和y枢轴装置146都处于默认的水平位置(如图2和图3所示)。
x枢轴装置144和y枢轴装置146相对于基座26具有一定的运动范围。应当理解，在本实用新型的实施方式中，防止枢转臂32的磁化端142超越运动范围行进。例如，运动范围可以是至少30度，至少60 度，至少90度，或至少150度。在实施方式中，z枢轴装置148可全 360度旋转，使得磁化端142可以沿着纵轴以任何方向设置。
x枢轴装置144构造成使枢转臂32的磁化端142相对于基座26 绕x轴枢转。在本实用新型的实施方式中，x枢轴装置144包括x枢轴电机154、x枢轴齿轮156和x枢转支架158。x枢轴电机154由电池或其他电源(例如为驱动电机96供电的电池40)供电。x枢轴电机154 可以直接地或通过轴来旋转x枢轴齿轮156。x枢轴齿轮156旋转x枢轴支架158。x枢轴支架158可以包括从x枢轴齿轮156到x枢轴支架 158的连接构件160。当x枢轴电机154响应于来自处理器的动力或命令而转动时，x枢轴齿轮156使x枢轴支架158旋转相应角度的路径(取决于齿轮比)。枢转的x枢转支架158使z枢轴装置148和磁化端142 枢转。通过使磁化端142围绕x轴移动，x枢轴装置144进一步构造成使得头部14沿着球壳12的外表面大体在y轴方向上移动，因为头部14 磁性地固定到枢转臂32的磁化端142。
y枢轴装置146构造成使枢转臂32的磁化端142相对于基部26 围绕y轴枢转。在本实用新型的实施方式中，y枢轴装置146包括y枢轴电机162、y枢轴齿轮164和y枢轴支架166。y枢轴电机162由电池或其他电源(例如为驱动电机96供电的电池40)供电。y枢轴电机162 可以直接或通过轴使y枢轴齿轮164旋转。y枢轴齿轮164旋转y枢轴支架166。y枢轴支架166可以包括从y枢轴齿轮164到y枢轴支架166 的连接构件160。当y枢轴电机162响应于来自处理器的动力或命令转动时，y枢轴齿轮164使y枢轴支架166旋转相应角度的路径(取决于传动比)。枢转的y枢轴支架166使z枢轴装置148和磁化端142枢转。通过围绕y轴移动磁化端142，y枢轴装置146进一步构造成使头部14 沿着球壳12的外表面大体在x轴方向上移动，因为头部14磁性地固定到枢转臂32的磁化端142。
x枢轴支架158和y枢轴支架166为z枢轴装置148和被固定在z 枢轴装置148上的磁化端142提供枢转平台168。在本实用新型的实施方式中，x枢转支架158显著小于y枢轴支架166，以配合在y枢轴支架166内。在本实用新型的其他实施方式中，y枢轴支架166显著小于 x枢轴支架158，以配合在x枢轴支架158内。这允许x枢轴支架158 独立于y枢轴支架166移动，同时x枢轴支架158和y枢轴支架166各自保持在相应的轴线上对齐。在本实用新型的还一些其他实施方式中， x枢轴装置和y枢轴装置由诸如球窝接头或吊杆转台(boom turret)的单一结构形成。
z枢轴装置148构造成枢转臂32的磁化端142相对于基座26围绕z轴枢转。z枢轴装置148固定到x枢轴支架158或y枢轴支架166。因此，如上所述，当x枢轴支架158和y枢轴支架166枢转时，z枢轴装置148将以相应的方式枢转。在本实用新型的实施方式中，z枢轴装置148包括z枢轴基座170、z枢轴电机172和z枢轴齿轮174。z枢轴基座170固定到x枢轴支架158或y枢轴支架166，以保持z枢轴装置 148沿着x轴和y轴与所需方向对齐。z枢轴电机172使z枢轴齿轮174 旋转，以使磁化端142旋转。因此，z枢轴装置148构造成使固定到枢转臂32的磁化端142上的头部14沿着枢转臂32的纵轴旋转地移动。
在本实用新型的其他实施方式中，枢转臂32包括y枢轴装置146 和z枢轴装置148，但不包括x枢轴装置144。因此，枢转臂32可以在 x轴方向上大致向前移动并旋转，但不能在y轴方向上移动。在这些实施方式中，可移动机器人10可围绕z轴旋转，以将y枢轴装置146以所需的方向对齐。在还一些其他实施方式中，枢转臂32包括x枢轴装置144和y枢轴装置146，但不包括z枢轴装置148。在这些实施方式中，头部14的旋转可以通过旋转整个可移动机器人10来实现。
现在将更详细地讨论磁化端142，最佳地如图5所示。在本实用新型的实施方式中，磁化端142包括支撑板150、磁性凸起组152和互锁开关176。如上所述，磁化端142还可以包括z枢轴齿轮174。磁化端142构造成将头部14固定在期望的位置和方向。
支撑板150构造为在头部14磁性地固定到枢转臂32时处于第一位置，并且构造为在头部14没有磁性地固定到枢转臂32时处于第二位置。通常第一位置会沿着纵轴处于上面，并且第二位置会沿着纵轴处于下面。当头部14固定到磁化端142时，支撑板150将基于头部14的磁吸引力而向上移动到第一位置。当头部14从可移动机器人10脱落或被使用者移除后，支撑板150将通过在支撑板150上施加向下的力的致动器(例如弹簧)的重量、通过向下拉动支撑板150的磁力或通过其它的力来移动到第二位置。
如图4所示，互锁开关176构造为检测支撑板150是处于第一位置还是第二位置。互锁开关176通过支撑板150(或其部件)撞击、按压或以其他方式提供输入至互锁开关176来检测支撑板150处于第二位置。在本实用新型的各种实施方式中，互锁开关176是机电开关(通过互锁开关176的物理按压而激活)、电容开关(通过基于相邻的金属或导电支撑板150检测电容变化而激活)、红外检测器(由反射的红外信号激活)、或其他类型的接近检测器或开关。可以使用电位计或其他编码器来产生指示支撑板150处于第二位置的电子信号。因此，当支撑板 150在头部14免受枢转臂32的磁吸引力而向下移动时，互锁开关176 检测到这种情况。
在本实用新型的实施方式中，内部组件16构造为在一旦检测到支撑板150处于第一位置时就移动，并且构造为在一旦检测到支撑板150 处于第二位置时就停止移动。这是因为如果头部14脱落或从可移动机器人10移开，则可移动机器人10将停止移动。没有头部14，可移动机器人10不能执行某些功能(例如检测障碍物、接收命令以及下面讨论的其它功能)。可移动机器人10停止移动也会使得用户可以找到头部 14。可移动机器人10还可以向用户提供头部14已经脱落的指示，诸如某个动态(例如，球壳12快速地向左右自转，就好像在“寻找”其头部14)，或者从头部14、内部组件16发出的警报，和/或传送到下面讨论的用户装置的警报。
磁性凸起组152从支撑板150明显向上(例如，沿着纵轴)凸起，最佳地如图5所示。在本实用新型的实施方式中，磁性凸起组152包括凸起基部178和至少一个凸起。凸起基部178固定到支撑板150或枢转臂32。每个凸起从凸起基部178延伸。在本实用新型的实施方式中，每个凸起包括柱180和帽182。帽182固定在柱180的末端处，以相邻于或靠近球壳12的内表面22设置。在本实用新型的实施方式中，帽182 具有斜设或倾斜的顶面。顶面具有与球壳12的内表面22大致互补的形状。
头部14包括至少一个磁体以用于吸引头部14的对应磁体或金属部件，如下所述。磁体可以是永磁体(例如磁性金属、磁性复合材料、稀土类磁体等)、电磁体，或两者。应当理解，如本文所使用的，枢转臂32的“磁化端”可以不是磁性的，而可以是金属的，以被吸引到头部14中的相应磁体上(如下所述)。因此，在本实用新型的实施方式中，术语“磁化”可以不指枢转臂32的性质，而指将头部14保持在枢转臂 32上的性质。
在本实用新型的实施方式中，磁性凸起组152包括至少一个主凸起184和至少一个副凸起186。主凸起组184可以基于磁体的尺寸、极性、磁体的取向或其他区别的特性与副凸起组区别开。在本实用新型的实施方式中，主凸起组184包括彼此相对设置的两个凸起，并且副凸起组186包括彼此相对设置的两个凸起。在图5中最佳地示出的本实用新型的实施方式中，主凸起组184大于副凸起组186。这将头部14正确地定向到枢转臂32。例如，在本实用新型的实施方式中，可移动机器人 10在方向上无差别，使得驱动电机96可以基本上类似地在向前和向后方向上操作。在该实施方式中，枢转臂32的磁化端142将以分开180 度的两个可能的方向吸引头部14。无论用户将头部14置于哪个方向都将指示主移动方向(在头部14包括主操作方向的实施方式中)。
现在将更详细地讨论可移动机器人10的头部14，如图1、图2 和图6所示。头部14通过球壳12固定至枢转臂32的磁化端142上。因此，通过枢转臂32的枢转，头部14沿着球壳12的外表面20行进，以相对于球壳12和相对于基座26移动。当球壳12在运动期间旋转时，头部14提供用于检测环境、接收命令和执行其它功能的稳定平台。在其他实施方式中，可移动机器人10不包括头部14。在这些实施方式中的一些实施方式中，球壳12是透明的、半透明的或以其他方式透射的，使得传感器和其他功能可以由内部组件16执行。在这些实施方式中的其他实施方式中，球壳12可以包括沿着y轴的孔24，以允许沿着y轴 (诸如固定板134)执行所讨论的功能。
在本实用新型的实施方式中，如图6中所最佳呈现，头部14包括头部壳体188、磁性接收器组190、轮组192以及至少一个传感器(示意性地表示在图7中，并且在下面深入讨论)。头部壳体188具有界面侧196，该界面侧构造成倚靠球壳12以磁性方式固定。界面侧196可以具有大体上与球壳12互补的形状。在一些实施方式中，头部壳体188 具有大体上半球形形状，从而在界面侧196的反面具有弓形壁。在其他实施方式中，头部壳体188可以具有其他形状，例如棱锥形、直角棱柱或者其他三维形状。
磁性接收器组190布置在界面侧196上并且构造成以磁性方式固定至枢转臂32的磁化端142上。在本实用新型的实施方式中，磁性接收器组190具有与枢转臂32的磁性凸起组152类似的布局。在这些实施方式中，磁性接收器组190布置在第一定向上并且磁化端142布置在相应的第一定向上，使得磁性接收器组190保持与枢转臂32的磁化端 142对齐。磁性接收器组190可以包括主接收器组198和次接收器组200，主接收器组198和次接收器组200分别对应于主凸起组184和次凸起组 186。
如图1中所最佳呈现的，轮组192布置在界面侧196上并且构造成容许在x轴方向上沿着球壳12移动。在本实用新型的实施方式中，轮组192是头部14的仅有的接触球壳12的组件。轮组便利于当驱动组件30将可移动机器人10向前推动时球壳12相对于头部14的自转。轮组192降低在头部14和球壳12之间产生的摩擦。当头部14在非x轴方向上相对于球壳12移动时，轮组192也允许球壳12在轮组192下方通过。例如，当枢转臂32在y轴方向上移动时，轮192可以滑动通过球壳12的外表面20。在本实用新型的实施方式中，轮192由硬化聚合物或者其它吸能材料形成。
参见图7，它示意性地呈现了可移动机器人10的多种电子部件和附件。应当理解的是，和其它图类似，图7是本实用新型一个实施方式的示例性呈现。其它实施方式可以包括其它布局、设备和功能。所述的功能和特征可以通过下述部件以外的部件实现。
本实用新型的实施方式的可移动机器人10可以包括用于便利这里所述的功能和特征的计算装置。计算装置可以包括任何数量和组合的处理器、控制器、集成电路、可编程逻辑装置或者其它用于执行这里所述的功能的数据和信号处理装置，并且还可以包括一个或多个存储装置、发送器、接收器、显示器和/或用于与可移动机器人10的多种装置通讯的通讯总线。
在本实用新型的实施方式中，本实用新型的实施方式的可移动机器人10包括用户遥控器700、用户装置702、头部电子控制单元704和内部组件电子控制单元706。在其它实施方式中，可移动机器人10包括用户遥控器700、头部电子控制单元704和内部组件电子控制单元706，没有用户装置702。在另外的其它实施方式中，可移动机器人10包括用户装置702、头部电子控制单元704和内部组件电子控制单元706，没有用户遥控器700。应当理解的是，“用户遥控器”和“用户装置”在本说明书中可以互换使用，并且针对用户装置702所述的功能可以替代性地或者附加性地由用户遥控器700执行，反之亦然。因此，用户遥控器 700和用户装置702的说明是用于控制可移动机器人的两种可能设备的实例。在还一些的实施方式中，在没有任何用户装置702或用户遥控器 700的情况下控制可移动机器人10(例如通过使用声音命令和视觉识别)。
用户遥控器700可以专用于可移动机器人10，或者可以是标准遥控器700，其中该标准遥控器700可被操作为与可移动机器人10交互或者向可移动机器人10发送命令。用户遥控器700典型地包括输入部708、发送器710和电源712。输入部708可以包括能够被操作为向可移动机器人10发送命令的各种输入装置。例如，输入部708可以包括手柄、按钮、旋钮、转轮、方向键或者其它机电输入部。用户选择、按压、驱动或者以其它方式作用输入部708，从而向可移动机器人10提供命令或者其它信息。例如，用户可以驱动手柄“前进”以命令可移动机器人10 在x轴方向上向前行进。用户也可以驱动手柄“右”以命令可移动机器人10围绕z轴在相应的方向上旋转。用户也可以驱动手柄“前进”和“右”以命令可移动机器人10同时在x轴方向上向前行进并且围绕z 轴旋转，从而使得可移动机器人10在移动的同时转向。作为其它实例，用户可以驱动按钮以使可移动机器人10进行某一动作，例如“跟随我”模式(下面讨论)、自主模式、以某一预定模式移动头部14和/或球壳 12或者其它动作或模式。
用户遥控器700通过发送器710与可移动机器人10通讯。发送器 710发送电子信号，该电子信号由可移动机器人10接收并解释(下面讨论)。在本实用新型的一些实施方式中，发送器710是红外(“IR”)发送器。在其它实施方式中，发送器710利用其它无线通讯方法或者协议，例如蓝牙、Wi-Fi、无线电波等。输入部708和/或发送器710由电源712 例如电池供电。
用户装置702可以是智能手机、平板电脑、笔记本电脑或者其它计算装置。通常，用户装置702是多功能的，这样用户装置702执行除了控制可移动机器人10和与可移动机器人10交互之外的其它任务。用户装置702可以包括处理器714、通讯元件716、存储元件718、位置元件720、电源722和显示器724。处理器714可以按照存储元件718中存储的计算机程序的指示执行功能。执行的功能可以包括在显示器724 上向用户显示图形用户界面(“GUI”)。执行的功能也可以包括接收和分析用户输入(例如通过显示器724或者与显示器724关联的其它按钮、旋钮、开关等)。例如，可以让用户选择在用户装置702的显示器724 上划一条期望的路径。处理器714从而可以计算具体的移动指令并将这些指令通过通讯元件716发送至可移动机器人10。
执行的功能也可以包括通过通讯元件716向可移动机器人10发送指令、警报、请求或者其它信息。执行的功能也可以包括确定用户装置 702的地理位置，例如通过与用户装置702关联的GPS确定。该地理信息可以传送至可移动机器人10，由此指示可移动机器人10移动至该位置。在一些实施方式中，用户装置702也可以包括发送器(未示出)，例如IR发送器，用于向可移动机器人10发送指令或其它信息。
头部电子控制单元704包括用于检测环境和与环境交互的多种电子组件。由于内部组件16装在球壳12中，头部14使得可移动机器人 10具有用于观察环境和与环境交互的无障碍平台。例如，头部14可以检测障碍物、接收声音命令、接收电子命令、发出声频反馈以及执行其它任务。头部14也可以在移动操作期间移动，以帮助执行多种操纵。头部14可以包括布置在弓形壁中的多种传感器和接收器，以用于检测诸如可移动机器人10附近的障碍物、来自用户的声音命令以及来自用户装置702的数字命令等状况。
在本实用新型的实施方式中，头部电子控制单元704包括接收器 726、障碍物传感器728、摄像机730、位置元件732、方向性麦克风734、通讯元件736、处理器738和电源740。头部电子控制单元704也可以包括其它部件，例如灯和扬声器。例如，头部控制单元704可以控制布置在头部14中的发光二极管(LED，未示出)，其中所述发光二极管构造成用于向用户显示。LED也可以发射待由遥控器700、用户装置702、扩展坞或者其它外部传感器检测的IR光。作为其它实例，头部电子控制单元704可以控制环境光传感器，其中该环境光传感器检测环境光度并将环境光读数发送至处理器738。
接收器726构造成用于接收来自用户遥控器700、用户装置702 和/或其它电子装置的指令和其它电子信息。例如，可移动机器人10可以包括发射IR信号的基站(未示出)，使得可移动机器人10可以按需向基站移动以进行充电和其它功能。还应当理解的是，接收器726可以替代地使用如下所讨论的另一信号或协议。接收器726可以包括围绕头部14周边布置的IR接收器组。这样，头部14可以构造成从多个不同的相对方向接收指令并确定接收指令的方向。例如，头部14可以具有围绕头部14等间距布置的五个IR接收器，以检测IR信号。
在本实用新型的实施方式中，头部14将包括围绕头部14布置的、用于在多个方向上检测障碍物的一组障碍物传感器728。障碍物传感器 728构造成发射信号并接收来自障碍物的反射信号。发射的信号可以是雷达信号、红外信号、声纳信号、能量束或者其它电磁或者物理信号。通常，每个障碍物传感器728将相对于可移动机器人10向外在某一范围或区域内取向。障碍物传感器728因此可以沿着从障碍物传感器728 展开的一个区域发射信号并接收反射信号。该组障碍物传感器728因此形成围绕可移动机器人10的周边的至少一部分的重叠覆盖。分析由该组障碍物传感器728反射的信号以检测至障碍物的距离和相对于障碍物的方向。没有返回信号也可以表明障碍物--例如陡降、悬崖或者凹陷-- 的存在。可移动机器人10可以然后利用该信息以避开障碍物。
摄像机730可以用于检测环境。例如，摄像机730可以用于识别某个用户、某个用户遥控器700或者执行其它识别功能。摄像机730也可以用作该组障碍物传感器728的补充或者替代，以确定附近的障碍物从而可以将它们避开。摄像机730也可以记录视频数据和/或将视频数据流式传输至用户装置702或者其它电子资源。记录的和/或流式传输的视频数据可以包括表示可移动机器人10的动作、位置、状态或其它信息的元数据。元数据将一组数据与另一组数据关联。元数据可以嵌入抓取的视频数据中、在外部存储于与抓取的视频数据关联的独立文件中、以其它方式与抓取的视频数据关联，或者以上所有。外部存储的元数据也可以具有优点，例如易于检索和索引。元数据也可以以人可读的格式存储，使得用户可以在没有任何特殊软件的情况下访问、理解和编辑元数据。
可移动机器人10的实施方式还包括位置元件732，例如GPS接收器。位置元件732在多种动作过程中确定和记录可移动机器人10的GPS位置，并且可以用于帮助可移动机器人10移动到某一地理位置。位置元件732向处理元件传输表示位置的信息。然后可以将位置信息存储在可移动机器人10上和/或通过通讯元件736传输至用户装置702。位置元件732也可以确定和记录与多种动作相关的时间。
方向性麦克风734使得可以接收和分析声音命令。在本实用新型的实施方式中，方向性麦克风734包括围绕头部14的周边布置的麦克风组。可以分析接收的声音命令的强度或音量以确定至用户的最可能的方向。例如，在接收到声音命令后，可移动机器人10的头部14可以转向感受到的方向。这可以向用户表明可移动机器人10已听到并理解了该命令。这也可以向用户表明可移动机器人10在等待其它命令。此外，将头部14向感受到的声音命令的方向旋转使得摄像机730或者其它传感器可以确认用户的身份(通过面部识别、用户遥控器700识别等)。在本实用新型的实施方式中，麦克风组包括围绕头部14的周边彼此间隔大约150度的三个麦克风。基于每个麦克风检测的声音的强度，可以计算声源的大致方向(例如在用户实际方向的45度内)。头部14可以然后转向该大致方向(下面讨论)。方向性麦克风734也可以包括用于检测声音命令的内容的声音识别麦克风。
头部通讯元件736与用户装置702、用户遥控器700以及内部组件16的通讯元件742可通讯地连接。将头部通讯元件736构造成基于如上所述通过传感器检测的状况向内部通讯元件742发送状况指示。在本实用新型的实施方式中，头部通讯元件736将向内部通讯元件742发送传感器数据、接收的命令以及其它信息。内部部件(下面讨论)将然后基于接收的信息确定并实施动作。在本实用新型的其它实施方式中，头部通讯元件736将向内部通讯元件742发送确定的移动命令(由头部处理器738确定)。在本实用新型的实施方式中，头部通讯元件736以无线方式可通讯地连接至内部通讯元件742。在其它实施方式中，头部通讯组件直接通过球壳12向内部通讯元件742传输信号。
例如，头部通讯元件736可以将指示障碍物的信息传输至内部通讯元件742和用户装置702。可移动机器人10然后可以采取措施避开障碍物，同时将指示障碍物的信息向用户显示或者以其它方式给予警示。头部通讯元件736和内部通讯元件742之一或者两者可通讯地链接至用户装置702，使得信息可以在它们之间发送。在一些实施方式中，头部通讯元件736和内部通讯元件742之一或者两者也直接或间接地与该系统的一个或多个其它元件可通讯地连接。可移动机器人10可以传输指示状态的信息。状态可以包括诸如以下的信息：可移动机器人10开启、动作开始时间、动作停止时间、当前动作、动作成功完成、检测到的错误、未检测到的错误、可移动机器人10的位置(对于配备有位置元件 732的可移动机器人10而言)、已知的用户信息(基于邻近度标签识别器、连接的移动应用、面部识别等)、与可移动机器人10关联的一个或多个识别信息(例如型号或序列号)等。这些信息中的全部或者一些可以存储为用于传感器数据的元数据，或者由与系统关联的一个或多个显示器实时显示(例如在用户装置702上显示)。
在本实用新型的实施方式中，内部组件电子控制单元706可以包括通讯元件742、开关744、输入部746、处理器748、存储器750(它可以包括稳定模块752、移动模块754、自主模块756和命令模块758) 以及电源760(它可以包括图4中所示的电源)。内部组件电子控制单元 706确定用于上述多种电机和部件的命令。在接收到某一命令或者状态后，内部组件电子控制单元706可以确定将实现期望状态的具体电机动作，并向电机发送命令或电力以实施期望的动作。
用户可以使用开关744向可移动机器人10(或者更具体地说向可移动机器人10的内部组件16)提供电力。开关744可以布置在上述的固定板134上。输入部746取得直接在可移动机器人10上的用户输入。例如，输入部746可以包括通讯端口(它可以与以上讨论的充电端口136 相同或者相邻)，以用于在通讯端口中接收电子命令。输入部746可以额外地或者替代地包括按钮、旋钮、开关等，以用于用户传递信息。用户输入部746可以包括系统检查按钮、开始动作按钮、停止动作按钮、重置按钮、显示器切换按钮等。
处理器748按照存储器750中存储的计算机程序的指令执行多个步骤。存储器750是非瞬时计算机可读介质，它具有所存储的至少一个计算机程序。在本实用新型的实施方式中，计算机程序可以包括稳定模块752、移动模块754、自主模块756和命令模块758。
稳定模式保持可移动机器人10稳定和水平。通常，稳定模块752 将用于基础模块中或者与以下讨论的模块同时使用。稳定模块752可以基于可移动机器人10的当前状况确定倾翻或者其它不期望状态的可能性。这可以基于可移动机器人10的当前姿态(基于未示出的一组陀螺仪的读数)、当前的行进方向和速度、检测到的任何障碍物、计划的路径或轨迹、施加在内部组件16的多个部件上的当前应力和应变(基于未示出的应变计的读数)、枢转臂32和头部14之间的磁吸引力的强度 (由与枢转臂32关联的未示出的磁性传感器检测)以及其它考虑因素进行确定。
稳定模块752也可以计算对于这些状况的最大安全移动参数。例如，稳定模块752可以确定可移动机器人10在其当前的前进速度的情况下只能以某一速率转向。稳定模块752然后可以指示驱动组件30减缓可移动机器人10的速度，从而可以实现转向，和/或可以减小转向的程度。类似地，如果在移动中的可移动机器人10的路径中检测到障碍物，稳定模块752可以移动停止，以防止可移动机器人10撞到障碍物。作为再一个实例，稳定模块752可以在可用电力降到某一阈值以下后、在电机停转后、在检测到错误后等情况下停止操作。稳定模块752因此是一个基础功能，它监视可移动机器人10的动作以确定是否正在利用或者可能利用一种潜在地不安全或者不稳定的状况。稳定模块752可以然后发送指示不安全或者不稳定状况的信息，使得可以采取缓解措施来避免损害。
移动模块754确定为了获得期望的移动所要操作的具体电机以及操作的程度和时长。例如，在检测到声音命令后(如上所述)，移动模块754可以向z枢转装置148提供命令以将头部14旋转某一角度范围，从而将头部14朝向用户定向。作为另一个实例，在用户将用户遥控器 700的手柄输入部708启动为前进以后，移动模块754将指示驱动电机 96在接收到指示手柄输入部708的信号的期间转成前进方向。
自主模块756执行处理器748确定的多种动作。在本实用新型的实施方式中，自主模块756通过由用户选择输入部708、746而启用。在自主模块756中，处理器748确定合适的动作，并且在没有来自用户的直接和明确指令的情况下采取这些动作。在自主模式以外，可移动机器人10可以在执行任务之前等待来自用户的清楚且明确的指令(例如对手柄输入部708的操纵)。
例如，在本实用新型的实施方式中，自主模式可以包括“跟随我”模式。用户可以通过选择用户装置702中的选项或者通过按压或者选择用户遥控器700上的开关输入部708开始“跟随我”模式。在“跟随我”模式下，可移动机器人10检测来自用户装置702或者用户遥控器700 的IR信号。可移动机器人10然后将大致向IR信号移动，直到达到某一信号强度。可移动机器人10然后将继续移动，从而保持期望的信号强度。期望的信号强度使得可移动机器人10足够接近用户以跟随用户，但是没有过于接近用户以至于在移动期间撞上用户。自主模式基于由头部14检测到的并通讯传输至内部组件16的通讯元件742的信号强度和方向确定合适的电机命令。
作为另一个实例，在本实用新型的实施方式中，自主模式可以包括“探索”模式。在选择探索模式后，可移动机器人10将到处移动并在总体区域中对环境进行探索。总体区域可以通过位置元件732确定(例如通过在起始位置的某一地理范围内漫游)。可移动机器人10也可以与总体区域中的用户、人和其它物体进行交互。作为再一个实例，在本实用新型的实施方式中，自主模式可以包括移动检测模式。移动检测模式可以通过声音命令例如“保卫房间”启动。在选择移动检测模式后，头部将检测可移动机器人10附近的移动，例如通过障碍物传感器728或者通过摄像机730进行检测。在一些实施方式中，通过反射的IR信号的改变检测移动。移动检测可以包括将头部14围绕z轴旋转，使得障碍物传感器728和/或摄像机730观察到可移动机器人10的整个近处。移动检测也可以包括将可移动机器人在附近移动。在检测到移动后，可移动机器人10可以发出声音警报、向用户装置702发送信息或者执行其它功能。
命令模块758按照用户的指导实施特定的动作。启动命令模块758 以基于特定的命令或指令(例如由方向性麦克风734接收的声音命令) 实施特定的动作。例如，可以通过声音命令启用“来这里”模式。在“来这里”模式下，可移动机器人10检测用户的位置(通过IR距离和方向、声音识别方向、面部识别等)并移动到该位置附近。作为另一个实例，用户可以指示可移动机器人10执行某一动态或者随机动态。该动态可以是用于向用户提供娱乐(例如唱歌或者跳舞)，或者为用户提供某一服务(例如“看看那个角落是否有人”)。通常，在完成特定的动作后，可移动机器人10将返回默认模式或者自主模式。
电源712、722、740、760可以包括电池和其它电源。电源712、722、740、760也可以包括发电部件例如太阳能板。例如，本实用新型的实施方式可以用作遥远的恶劣环境中(例如月球或者行星)的漫游车。在这些实施方式中，头部14和/或球壳12可以包括用于发电的太阳能板组。太阳能板也可以用于旨在用于军事目的可移动机器人10，因为在这些应用中可能不易在附近找到电源。在本实用新型的其它实施方式中，电源712、722、740、760可以包括内燃机、混和内燃机或者电动机。
下面将讨论本实用新型的实施方式的多种方法。存储有计算机程序的非瞬时计算机可读存储介质可以指示至少一个处理元件实施至少一种所述方法的步骤。非瞬时计算机可读存储介质可以位于头部14中、内部组件16中、用户装置702中、辅助计算装置中、至少一个传感器中和/或通用计算装置中。
本实用新型的实施方式的计算机程序包括多个代码段，所述代码段可由用于实施本实用新型的多种方法的步骤的计算装置执行。除非另有明确说明，方法的步骤可以按所讨论的顺序实施，或者它们可以按不同的顺序实施。此外，一些步骤可以同时实施而不是依次实施。一些步骤也可以是可选的。计算机程序也可以执行这里没有说明的其它步骤。本实用新型实施方式的计算机程序、可移动机器人10和方法可以在硬件、软件、固件或者其组合中实施，这广泛地包括服务器装置、计算装置和通讯网络。
本实用新型的实施方式的计算机程序可以响应于用户输入。本文中定义的用户输入可以自多种计算装置接收，所述计算装置包括但不限于台式电脑、笔记本电脑、计算器、电话、智能手机、智能手表、车载计算机、照相机系统或者平板电脑。计算装置可以从多种来源接收用户输入，所述来源包括但不限于键盘、小键盘、鼠标、触控板、轨迹球、笔式输入装置、打印机、扫描仪、传真机、触摸屏、网络传输、语言/ 语音命令、姿势、按钮等。
服务器装置和计算装置可以包括具有处理元件和相关存储元件的任何装置、部件或装备。处理元件可以实施操作系统，并且可以能够执行计算机程序，该计算机程序通常也称为指令、命令、软件代码、可执行文件、应用(“App”)等。处理元件可以包括处理器、微处理器、微控制器、现场可编程门阵列等或者其组合。存储元件可以存储或者保留计算机程序并且也可以存储数据，通常是二进制数据，包括文本、数据库、图像、音频、视频、其组合等。存储元件也可以称为“计算机可读存储介质”并且包括随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、闪存存储器、软盘、硬盘驱动器、光存储介质例如光盘(CD或者 CDROM)、数字影碟(DVD)等或者其组合。除了这些存储元件，服务器装置还可以包括文件存储部件，文件存储部件包括多个硬盘驱动器、网络附加存储器或者独立的存储网络。
计算装置可以具体地包括可移动通讯装置(包括无线装置)、工作站、台式计算机、笔记本电脑、掌上电脑、平板电脑、便携式数字助手 (PDA)、智能手机等或者其组合。计算装置的多种实施方式也可以包括语音通讯装置，例如手机和/或智能手机。在优选的实施方式中，计算装置将具有可显示视频图形、图像、文本等的电子显示器。在某些实施方式中，计算机程序通过由电子显示器显示的图形用户界面(GUI)促进交互和通讯。GUI使得用户能够通过在显示区域上触摸或指点与电子显示器交互，以向可移动机器人10提供信息。
通讯网络可以是有线的或无线的，并可包括服务器、路由器、开关、无线接收器和发射器等，以及导电线缆或光缆。通讯网络也可以包括局域网、城域网或广域网以及因特网，或者其它云网络。此外，通讯网络可以包括蜂窝电话网络或者移动电话网络，以及固定电话网络、公用电话交换网络、光纤网络等。
计算机程序可以在计算装置上运行，或者可以在一个或多个服务器装置上运行。在本实用新型的某些实施方式中，计算机程序可以实现为下载到用户的计算装置上的单机版计算机程序(即“App”)，或者由用户的计算装置通过通讯网络可访问的网络可访问程序。本文中使用的单机版计算机程序或者网络可访问程序向用户提供对电子资源的访问，用户由此可以与本实用新型的多种实施方式交互。
本实用新型的实施方式的计算机程序的执行实施本实用新型的实施方式的方法步骤。由于多个用户可能正在上传由计算机程序存储、显示和处理的信息，因此由计算机程序显示的信息是实时显示的。本文中定义的“实时”是指可移动计算机10的处理元件执行步骤时，少于每1 秒、每500毫秒、每100毫秒或者每16毫秒。
参见图8，示出了本实用新型的一种可选实施方式。作为重心转移转向机构28的补充或者替代，在本实用新型的实施方式中，可移动机器人10可以包括飞轮组件202。应当指出的是，类似的飞轮组件202 更详细地呈现并描述于美国专利申请No.15/235,554中，该申请通过引用纳入本申请中。飞轮组件202可旋转地固定于基座26上。例如，飞轮组件202可以设置在重心转移转向机构28和枢转臂32之间。飞轮组件202构造成围绕z轴旋转，以引起基座26和球壳12围绕z轴的反向旋转。这样，可移动机器人10可以获得移动过程中的重心转移转向和静止时的自转这两者。
在本实用新型的一些未示出的实施方式中，重心转移转向机构28 可以执行飞轮组件202的至少一部分功能。例如，压载重物46可以旋转以获得下述的自转。重心转移转向机构28因此可以包括用于将压载重物46侧向移动的压载重物电机48以及用于使压载重物46原地自转的飞轮电机(未示出，但是可以与下述的飞轮电机类似)。由于空间限制，飞轮电机可以构造成仅仅容许压载重物46在压载重物46处于默认位置时自转。此外，由于空间限制，压载重物46可以不包括前突起78 和后突起80。
如图8和图9中所最佳呈现的，飞轮组件202可旋转地固定至基座26。在本实用新型的实施方式中，飞轮组件202可旋转地固定至基座 26的底侧44，如图所示，底侧44与设置枢转臂32的顶侧相反。飞轮组件202构造成围绕z轴旋转，以引起基座26和球壳12围绕z轴的反向旋转。飞轮组件202通过提供质量引起的向下的力也保持基座26基本上与z轴竖直对齐。
在本实用新型的实施方式中，如图9中所最佳呈现的，飞轮组件 202包括飞轮204、飞轮紧固件206和飞轮电机208。飞轮204是大体上盘状的或者轮状的。在一些实施方式中，飞轮204包括环形部分210和从中心轮毂214伸出的至少一个辐条212。该构造将质量从中心轮毂214 移走，同时保持结构稳定性。这样，飞轮204通过飞轮电机208进行的旋转在使可移动机器人10围绕z轴旋转方面更有效。在其它实施方式中，飞轮包括围绕中心轮毂214设置的大体为平的盘(未示出)。
飞轮204的中心轮毂214具有开口216，该开口用于接纳穿过其中的飞轮紧固件206和/或飞轮电机208。飞轮紧固件206将飞轮204固定至飞轮电机208。飞轮紧固件206可以包括螺纹部分218和开口220，该开口中用于接纳飞轮轴222。飞轮204可以永久性地将飞轮204固定至飞轮电机208，从而将飞轮轴222的旋转转变成飞轮204的旋转。
飞轮电机208包括飞轮轴222(它可以包括小齿轮，未示出)和电源224。飞轮轴222通过飞轮电机208旋转。飞轮电机208响应于来自处理器的指令使飞轮轴222旋转(进一步也使飞轮204和可移动机器人10旋转)，如下所述。由电源224供能的飞轮电机208使飞轮204自转一定量的角位移(或者其一部分)以获得可移动机器人10的期望的取向或者旋转。飞轮电机208也构造成在围绕z轴的任一方向上旋转。
在本实用新型的实施方式中，飞轮204由高密度金属或者其它高密度材料形成。为了至少三个目的中的任何一个目的，飞轮204致密且重。首先，致密的飞轮204倾向于保持可移动机器人10沿着z轴大致竖直。这会是有利的，因为它倾向于保持头部14(与飞轮204相反)远离地面，其中在地面上头部从枢转臂32上脱离。第二，重的飞轮204 可以帮助确保在驱动组件30旋转时可移动机器人10在x轴方向上向前行进。如果内部组件16关于y轴重量基本上均匀，那么驱动组件30的自转运动(如下所讨论)将倾向于使内部组件16在球壳12内旋转，而不是推动球壳12在x轴方向上前进(或者后退)。第三个潜在的原因是，致密且重的飞轮204(而不只是基座26的高密度的、重的下部区域)帮助围绕z轴的旋转。致密且重的飞轮204将通过在可移动机器人10中旋转来在可移动机器人10上施加更大的力矩。在一些实施方式中，飞轮204可以为可移动机器人10的总质量的至少25％、可移动机器人10 的总质量的至少50％、或者可移动机器人10的总质量的至少75％。
尽管已参照附图中所示的实施方式描述了本实用新型，但是要指出的是，在不偏离权利要求中所记载的实用新型的范围的情况下，可以使用等价的技术方案，并且可对其进行替换。
已记载了本实用新型的多种实施方式，我们认为具有新颖性并希望由专利予以保护的是权利要求所记载的技术方案。