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，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固定架、关节轴承、第一连杆、导轨组件、导向滑块、第一驱动单元、第二驱动单元和盾，所述关节轴承的外圈固定于所述固定架，所述关节轴承与所述球形壳体球心重合，所述第一连杆穿过所述关节轴承的内圈并与所述内圈固定，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，所述第二驱动单元连接在所述第一连杆一端和所述盾之间，所述第二驱动单元驱动所述盾自转，带动所述头部组件自转；所述第一连杆的另一端转动连接至所述导向滑块，所述导向滑块安装于所述导轨组件上，所述第一驱动单元驱动所述导向滑块在所述导轨组件上移动，以使得所述第一连杆及所述盾绕所述关节轴承转动，带动所述头部组件在所述球形壳体的外表面运动。

其中，所述第二驱动单元包括第二电机座、第三驱动电机、联轴器和第二连杆，所述第二电机座与所述第一连杆的一端固定连接，所述第三驱动电机固定于所述第二电机座，所述联轴器连接所述第三驱动电机转轴和所述第二连杆的一端，所述第二连杆的另一端连接至所述盾上。

其中，所述第二驱动单元还包括十字万向轴，所述十字万向轴连接在所述盾与所述第二连杆之间。

其中，所述第二驱动单元还包括联轴器座，所述联轴器安装于所述联轴器座，所述联轴器座与所述第二电机座固定连接。

其中，所述第二连杆包括连接轴和弹簧，所述连接轴连接在所述联轴器与所述十字万向轴之间，所述连接轴外侧设置有抵台，所述弹簧套设于所述连接轴上，所述弹簧抵接在所述抵台与所述十字万向轴之间。

其中，所述第二连杆还包括导向件，所述连接轴为中空结构，所述导向件收容于所述连接轴内部，所述导向件与所述十字万向轴固定连接。

其中，所述第二驱动单元还包括套筒和轴承，所述轴承固定于所述套筒中，所述连接轴与所述轴承内圈固定，所述轴承套筒固定连接至所述第二电机座。

其中，所述导轨组件包括弧形导轨，所述弧形导轨上置有第一齿牙和导向滑轨，所述导向滑块安装于所述导向滑轨，所述第一驱动单元包括第一驱动电机、第一电机座和第一齿轮，所述第一电机座与所述导向滑块固定连接，所述第一连杆的另一端固定于所述第一电机座，所述第一电机固定于所述第一电机座上，所述第一齿轮固定于所述第一驱动电机的转轴上，所述第一齿轮与第一齿牙啮合设置，所述第一驱动电机驱动所述导向滑块在所述导向滑轨上移动，以使得所述第一连杆及所述盾绕所述关节轴承转动。

其中，所述导轨组件还包括环形导轨，环形导轨上设置有第二齿牙，所述弧形导轨转动连接于所述环形导轨上，所述第一驱动单元还包括第二驱动电机及固定于所述第二驱动电机转轴的第二齿轮，所述第二驱动电机与所述弧形导轨固定连接，所述第二齿轮与所述第二齿牙啮合，所述第二驱动电机驱动所述弧形导轨相对于所述环形导轨绕所述环形导轨的圆心转动。

其中，所述弧形导轨包括弧形段和第一转动连接件，所述第一齿牙及所述导向滑轨设置于所述弧形段，所述弧形段与所述转动连接件固定连接，所述环形导轨包括内齿轮和第二转动连接件，所述第二齿牙形成于所述内齿轮，所述内齿轮与所述第二转动连接件固定连接，所述第一转动连接件连接至所述第二转动连接件，所述第一转动连接件能够相对所述第二转动连接件绕所述环形导轨的圆心转动。

本发明实施例具有如下优点或有益效果：

本发明的球形机器人包括头部驱动组件，所述头部驱动组件包括固定架、关节轴承、第一连杆、导轨组件、导向滑块、第一驱动单元、第二驱动单元和盾，所述关节轴承的外圈固定于所述固定架，所述关节轴承与所述球形壳体球心重合，所述第一连杆穿过所述关节轴承的内圈并与所述内圈固定，所述盾与所述头部组件之间通过磁力作用保持相对静止，所述头部组件贴附于所述球形壳体外表面，所述第二驱动单元连接在所述第一连杆一端和所述盾之间，所述第二驱动单元驱动所述盾自转，带动所述头部组件自转；所述第一连杆的另一端转动连接至所述导向滑块，所述导向滑块安装于所述导轨组件上，所述第一驱动单元驱动所述导向滑块在所述导轨组件上移动，以使得所述第一连杆及所述盾绕所述关节轴承转动，带动所述头部组件在所述球形壳体的外表面运动。从而实现独立驱动所述头部组件在所述球形壳体的外表面运动的效果。

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为本发明球形机器人的头部驱动组件结构示意图。

图3为本发明第一驱动单元、导轨组件和滑轨的配合关系图。

图4为本发明实施例的弧形导轨结构示意图。

图5为本发明实施例提供的导轨组件剖面示意图。

图6为本发明实施例的第二驱动单元结构示意图。

图7为图6所示的第二驱动单元分解示意图。

图8为本发明实施例的球形机器人的第二种视图。

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91、行走机构92、头部组件90和头部驱动组件50。所述行走机构80及所述头部驱动组件50收容于所述球形壳体91内部。所述行走机构80与所述球形壳体91内表面相抵接，并用于驱动所述球形壳体91滚动进而实现机器人的全方位行走，因所述行走机构80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90相对于所述球形壳体91的外表面运动。所述行走机构80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80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80是否工作，所述头部驱动组件50均能驱动所述头部组件90绕所述球形壳体91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90绕所述球形壳体91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90绕所述球形壳体91的球心转动。

请结合参阅图2和图3，图2为本发明球形机器人的头部驱动组件结构示意图。图3为本发明第一驱动单元、导轨组件和滑轨的配合关系图。所述头部驱动组件50包括固定架20、导轨组件40、导向滑块33、关节轴承30、第一连杆31、第一驱动单元45和盾34。

具体的，所述盾34可以大致呈圆形框架结构，盾34上设置有磁体座35，所述磁体座上固定有第一磁体36，所述头部组件90上相应设置有第二磁体(未示出)，所述第一磁体与所述第二磁体磁性相吸使得所述头部组件90贴附于所述球形壳体91外表面，并且所述头部组件90与所述盾34在磁力的作用下保持相对静止。

所述固定架20包括底盘21、立柱22和支撑架23。所述支撑架23通过立柱22固定于所述底盘21上，所述底盘21与所述行走机构80固定连接。也就是说，所述固定架20经所述行走机构80连接至所述球形壳体91内表面。所述底盘21和所述支撑架23大致呈圆形。可以理解的是，所述支撑架23的圆心、所述底盘21的圆心及所述球形壳体91的球心共线。所述支撑架23圆心位置处设置有所述关节轴承30。可以理解的是，所述关节轴承30的外圈与所述支撑架23固定连接。优选的，所述关节轴承30与所述球形壳体91的球心大致重合。所述第一连杆31穿过所述关节轴承30，并且所述第一连杆31与所述关节轴承30内圈固定，所述第一连杆31一端连接至所述盾34，所述盾34能够跟随所述第一连杆31一端一起绕所述关节轴承30转动。所述第一连杆31的另一端连接至所述导向滑块33，所述导向滑块33安装于所述导轨组件40上。所述第一驱动单元45驱动所述导向滑块33在所述导轨组件40上移动，以使得所述第一连杆31带动所述盾34绕所述关节轴承30转动，从而带动所述头部组件90在所述球形壳体91外表面移动，头部组件90的运动过程中，由于盾34绕球形壳体91球形转动，盾34与头部组件90之间距离保持不变，头部组件90与盾34之间的磁力稳定，避免头部组件90晃动，避免头部组件90从所述球形壳体91外表面脱离。

本发明的球形机器人包括头部驱动组件50，所述头部驱动组件50包括固定架20、关节轴承30、第一连杆31、导轨组件40、导向滑块33、第一驱动单元45和盾34，所述关节轴承30的外圈固定于所述固定架20，所述关节轴承30与所述球形壳体91球心重合，所述第一连杆31穿过所述关节轴承30的内圈并与所述内圈固定，所述盾34连接于所述第一连杆31的一端，所述盾34与所述头部组件90之间通过磁力作用保持相对静止，所述头部组件90贴附于所述球形壳体91外表面，所述第一连杆31的另一端连接至所述导向滑块33，所述导向滑块33安装于所述导轨组件40上，所述第一驱动单元45驱动所述导向滑块33在所述导轨组件40上移动，以使得所述第一连杆31及所述盾34绕球形壳体91的球心转动，从而实现独立驱动所述头部组件90在所述球形壳体91的外表面运动的效果。

本发明一种可能的实现方式中，所述导轨组件40包括弧形导轨41，所述弧形导轨41连接于所述底盘21上。所述弧形导轨41的上设置有第一齿牙42和导向滑轨43，所述导向滑块33安装于所述导向滑轨43，所述导向滑块33在所述导向滑轨43上移动以限制所述导向滑块33的移动方向。所述第一驱动单元45包括第一驱动电机451、第一电机座452和第一齿轮453，所述第一电机座452与所述导向滑块33固定连接。所述第一电机座452上设置有连接槽454，所述第一连杆31的另一端固定于所述连接槽454中。换而言之，所述第一连杆31经所述第一电机座452与所述导向滑块33固定连接。所述第一驱动电机451固定于所述第一电机座452上，所述第一齿轮453固定于所述第一驱动电机451的转轴上，所述第一齿轮453与第一齿牙42啮合设置。所述第一驱动电机451带动所述第一齿轮453转动，由于所述第一齿轮453与所述第一齿牙42的啮合作用，所述第一驱动电机451带动与第一电机座452连接的导向滑块33在所述导向滑轨43上移动，带动与第一电机座452固定连接的第一连杆31的另一端绕所述关节轴承30转动，使得与所述第一连杆31一端固定连接的所述盾34绕所述关节轴承30转动，从而带动所述头部组件90绕所述球形壳体91外表面移动。

本发明一种可能的实现方式中，所述弧形导轨41转动连接于所述底盘21上，所述第一驱动单元45还包括第二驱动电机455，所述第二驱动电机455用于驱动所述弧形导轨41绕所述底盘21的圆心自转。也就是说，所述弧形导轨41的回转轴过球形壳体91的球心。这样设置的目的在于，弧形导轨41相对所述底盘21转动时，所述第一连杆31与所述关节轴承30的距离不变，避免发生干涉。

进一步的，请参阅图4。图4为本发明实施例提供的弧形导轨结构示意图。所述弧形导轨41包括固定连接的弧形段411和第一转动连接件412。所述弧形段411的对称面经过所述球形壳体91的球心。这样设置的目的在于，所述导向滑块33的运动轨迹沿所述球形壳体91的对称面对称。所述第一齿牙42设置于所述弧形段411的内周面，所述导向滑轨43设置于所述弧形段411的侧面上。所述第一转动连接件412可以大致呈圆形或半圆形或弧形状。优选的，所述第一转动连接件412为圆形凸台。所述弧形段411与所述第一转动连接件412固定连接。所述弧形段411所在的平面与所述圆心凸台的轴向相互平行。所述第一驱动单元45还包括第二齿轮456，所述第二齿轮456固定于所述第二驱动电机455的转轴上。请结合参阅图5，图5为本发明实施例提供的导轨组件剖面示意图。所述导轨组件40还包括环形导轨46，所述环形导轨46大致呈圆环形。具体的，所述环形导轨46包括内齿轮461和第二转动连接件462，内齿轮461上形成有第二齿牙463，所述内齿轮461与所述第二转动连接件462固定连接，所述第二转动连接件462包括抵接台463和第一轴承464，所述第一轴承外圈464与所述抵接台463固定，所述抵接台463固定于所述底盘21上。所述圆形凸台与所述第一轴承464的内圈固定连接。通过所述第一转接件412和第二转动连接件462的相互作用，限制所述弧形导轨41的转动方向，使得所述弧形导轨41绕所述环形导轨46圆心转动。也就是说，所述弧形导轨41所述环形导轨46转动连接于底盘21上。

进一步具体的，所述第二齿轮456与所述第二齿牙463啮合设置。所述第二驱动电机455带动所述第二齿轮456转动，由于第二齿轮456与所述第二齿牙463的啮合作用，使得所述弧形导轨41相对于所述环形导轨46沿所述环形导轨46的圆心转动，进而所述第一连杆31可以绕所述关节轴承30转动，使得与所述第一连杆31连接的盾34绕所述关节轴承30转动。

本实施例中通过设置与弧形导轨41转动连接的环形导轨46，环形导轨46与底盘21固定连接，所述第二驱动电机455驱动弧形导轨41绕环形导轨46自转，使得第一连杆31及盾34具有两个方向的旋转自由度，进而所述头部组件90能够在所述球形壳体91外表面上任意移动。

可以理解的是，对于头部组件90而言，头部组件90具有一定的重量，因此头部组件90相对于所述球形壳体91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90从所述球形壳体91上脱落。经过反复多次试验可知，当头部组件90相对于球形壳体91顶部的摆动的角度超过45°时，头部组件90从球形壳体91上脱落的概率会急剧上升。因此，应当保证头部组件90相对于最高点时的偏摆角度小于或等于45°。换而言之，所述弧形导轨41中弧形段411对应的的圆心角应当小于或等于90°。优选的，所述弧形段411对应的圆心角为80°。

本发明一种可能的实现方式中，所述球形机器人还包括第二驱动单元，所述第二驱动单元连接在所述第一连杆31的一端与所述盾34之间。所述第二驱动单元用于驱动所述盾34绕所述第一连杆31的轴线自转。本实施例中，通过第二驱动单元驱动所述盾34自转，进而头部组件90可以自转，使得头部组件90可以具有可自转的自由度。

具体的，请结合参阅图6，图6为第二驱动单元结构示意图。所述第二驱动单元包括第二电机座62、第三驱动电机63、联轴器61和第二连杆65。所述第二电机座62与所述第一连杆31的一端固定连接，所述第三驱动电机63固定于所述第二电机座62，所述联轴器61连接所述第三驱动电机63转轴和所述第二连杆65的一端，所述第二连杆65的另一端连接至所述盾34上。所述盾34能够跟随所述第二连杆65一起运动。所述第三驱动电机63经所述联轴器61后带动所述第二连杆65转动，所述盾34在所述第二连杆65连接的带动下也会自转，从而使得所述头部组件90自转。通过第三驱动电机63驱动头部组件90自转，使得头部组件90的运动具有自转的自由度。

进一步的，请结合参阅图7，图7为图6所示的第二驱动单元分解示意图。所述第二驱动单元60还包括十字万向轴66，所述十字万向轴66连接在所述第二连杆65与所述盾34之间。所述十字万向轴66的作用在于，在球形机器人行走过程中，所述关节轴承30有可能偏离所述球形壳体91的球心，造成盾34与球形壳体91之间发生干涉，导致盾34无法绕关节轴承30摆动，造成球形机器人工作异常。设置所述十字万向轴66能够起到角度补偿的作用，避免盾34与球形壳体91发生干涉，消除盾34无法摆动或损坏盾34等异常。

本发明一种可能的实现方式中，所述盾34之远离所述支撑架23的面上设置有多个第一万向轮37，所述第一万向轮37与所述球形壳体91内表面相抵接。具体的，所述第一万向轮37可以为万向球轮或者麦克纳姆轮。所述第一万向轮37的作用在于，当球体机器人运动过程中，所述盾34有可能会由于振动而与球形壳体91内表面发生接触，此时通过所述第一万向轮37可以减小盾34与球形壳体91内表面接触时的摩擦阻力。

进一步具体的，所述第一万向轮37为麦克纳姆轮，所述麦克纳姆轮的数量为4个，所述4个麦克纳姆轮的轴向围成的图形大致为正方形。

本发明一种具体的实施方式中，所述第二连杆65包括连接轴651、导向件652、连接盖板653和弹簧654，所述连接轴651一端与所述联轴器61固定，所述连接轴651靠近一端处设置有抵台655。具体的，所述连接轴651为空心轴。所述导向件652收容于所述连接轴651内部。具体的，所述导向件可以为滚珠花键。所述滚珠花键的外圈与所述连接轴651固定连接，所述滚珠花键的花键轴与所述连接盖板653固定，所述连接盖板653通过螺钉与所述十字万向轴66固定连接。所述弹簧654套设于所述连接轴651上，所述弹簧654抵接于所述抵台655和所述连接盖板653之间。也就是说，所述弹簧654抵接于所述十字万向轴66与所述连接轴651之间。球形机器人正常运动时，所述弹簧654处于压缩状态，使得所述盾34上的第一万向轮37始终与所述球形壳体91内表面相抵接，避免由于震动造成所述盾34远离所述球形壳体91内表面，造成盾34与头部组件90之间距离过大，头部组件90从球形壳体91上脱落的情况发生。

本发明一种可能的实现方式中，所述第二驱动单元60还包括套筒656和第二轴承657，所述第二轴承657固定于所述套筒656中，所述连接轴651与所述第二轴承657内圈固定，所述套筒656固定连接至所述第二电机座62。

进一步的，所述第二驱动单元60还包括联轴器座611，所述联轴器61座为中空结构，所述联轴器61收容于所述联轴器座611，所述联轴器座611与所述第二电机座62固定连接。也就是说，所述套筒656经所述联轴器座611连接至所述第二电机座62上。

本发明一种可能的实现方式中，请结合参阅图8。图8为球形机器人的第二种视图。所述头部组件90包括头壳901和第二万向轮902。可选的，上述第二磁体可以收容于所述头壳901中。所述第二万向轮902的数量为多个，所述多个第二万向轮902均匀分布于所述头壳901之靠近所述球形壳体91的端面上。所述第二万向轮与所述球形壳体91相抵接。所述第二万向轮能够减小头部组件90与球形壳体91相对滑动时的摩擦力。具体的，所述第二万向轮902可以为麦克纳姆轮或者万向球轮等。

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。