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云台、驱动单元和盾，所述驱动单元固定于所述云台，所述盾抵接于所述驱动单元与所述球形壳体内表面之间，所述盾上设置有第一磁体，所述头部组件上相应设置有第二磁体，所述第一磁体与所述第二磁体相吸引使得所述头部组件贴附于位于球形壳体的外表面，并且所述头部组件与所述盾相对静止，所述驱动单元驱动所述盾在所述球形壳体内表面滑动，以使得所述头部组件在所述球形壳体的外表面滑动。

其中，所述驱动单元包括多个麦克纳姆轮和多个驱动电机，所述麦克纳姆轮设置于所述云台上且与所述盾相抵接，每个所述驱动电机用于驱动一个所述麦克纳姆轮转动，使得所述盾在所述球形壳体内表面滑动。

其中，所述麦克纳姆轮的数量至少为三个，所述至少三个所述麦克纳姆轮均匀分布于所述支架上。

其中，所述云台包括底盘和支架，所述支架及所述驱动电机固定于所述底盘上，所述多个麦克纳姆轮转动固定于所述支架上，所述驱动电机通过皮带传动驱动所述麦克纳姆轮转动。

其中，还包括收容于所述球形壳体内部的行走机构，所述行走机构用于驱动所述球形壳体滚动，所述底盘与所述行走机构固定连接。

其中，所述底盘与所述行走机构之间通过缓冲机构固定连接。

其中，所述盾的端部上设置有第一万向轮，所述第一万向轮与所述球形壳体内表面抵接。

其中，所述头部组件位于所述球形壳体的最高位置处与所述球形壳体的球心的连线为第一连线，所述头部组件位于所述球形壳体的极限位置处与球形壳体的球心的连线为第二连线，所述第一连线和所述第二连线的夹角小于或等于45°。

其中，所述盾呈球冠状，所述球冠状的盾的高为h，所述球冠状的盾的半径为r，则有

其中，所述头部组件包括头壳和第二万向轮，所述第二万向轮设置于所述头壳之靠近所述球形壳体的端面上，所述第二万向轮与所述球形壳体相抵接。

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，通过在球形壳体内部的头部驱动组件驱动所述头部组件沿所述球形壳体的外表面滑动，实现对头部组件的单独控制，即使球形机器人处于静止状态，仍可以控制头部组件的运动，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为本发明一种实施例的球形机器人分解示意图。

图2为本发明球形机器人省略头部组件和球壳的结构示意图。

图3是图1所述的球形机器人的另一种示意图。

图4是头部组件的运动轨迹示意图。

图5是盾的剖面示意图示意图。

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。

请结合参阅图1和图2。图1为本发明一种实施例的球形机器人分解示意图。图2为本发明球形机器人省略头部组件和球壳的结构示意图。本发明的球形机器人主要包括：球形壳体50、行走机构90、头部组件80和头部驱动组件10。所述行走机构90及所述头部驱动组件10收容于所述球形壳体50内部。所述行走机构90与所述球形壳体50内表面相抵接，并用于驱动所述球形壳体50滚动进而实现机器人的全方位行走，因其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10用于驱动所述头部组件80相对于所述球形外壳的外表面运动。所述行走机构90与所述头部驱动组件10相互独立工作。

所述头部驱动组件10包括云台11、驱动单元12和盾13。具体的，所述云台11的一端与所述行走机构90固定连接，所述驱动单元12固定于所述云台11，所述盾13抵接于所述驱动单元12与所述球形壳体50内表面之间。具体的，所述球形外壳介于所述头部组件80与所述盾13之间。所述盾13上设置安装槽131，所述安装槽131中固定有第一磁体132，所述头部组件80上相应设置有第二磁体(图未示出)，所述第一磁体132与所述第二磁体相吸引，通过所述第一磁体132与所述第二磁体的磁性吸附作用，使得所述头部组件80与所述盾13保持静止，并且在磁力的作用下使得所述头部组件80贴附于球形壳体50的外表面。所述驱动单元12驱动所述盾13在所述球形壳体50内表面滑动，以使得所述头部组件80沿球形壳体50的外表面滑动。

可以理解的是，所述第一磁体132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50、设置于所述球形壳体50外表面的头部组件80和收容于所述球形壳体50内部的头部驱动组件10，通过在球形壳体50内部的头部驱动组件10驱动所述头部组件80沿所述球形壳体50的外表面滑动，实现对头部组件80的单独控制，无论所述球形机器人处于静止或滚动状态，均可以控制头部组件80的运动，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，所述驱动单元12包括多个麦克纳姆轮121和多个驱动电机123。麦克纳姆轮121是一种全方位移动车轮，该轮是在传统车轮的基础上，在轮缘上再沿与轴线方向安装若干可以自由旋转的滚子，在车轮滚动时，通过控制各车轮的转速差，滚子就会产生侧向运动，即通过麦克纳姆轮121的组合使用和控制，可以使基于麦克纳姆轮121驱动的盾13产生运动平面内的任意方向移动和转动，且能够在较为狭窄的空间内实现灵活的运动。所述多个麦克纳姆轮121与所述多个驱动电机123一一对应，每个所述驱动电机123用于驱动一个所述麦克纳姆轮121转动。所述多个麦克纳姆轮121设置于所述云台11上并与所述盾13相抵接。通过多个麦克纳姆轮121的配合工作，使得所述盾13能够在所述球形壳体50内表面上全向滑动，从而控制所述头部组件80沿球形壳体50外表面滑动。换而言之，所述头部组件80可以绕所述球形壳体50的球心转动。

可以理解的是，由于行走机构90与所述头部驱动组件10相互独立工作。也就是说，无论所述行走机构90是否工作，所述头部驱动组件10均能驱动所述头部组件80可以绕所述球形壳体50的球心转动。即包括如下情况：

1.球体机器人保持静止，即所述球形外壳静止，所述头部驱动组件10驱动所述头部组件80绕所述球形壳体50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10驱动所述头部组件80绕所述球形壳体50的球心转动。

本发明一种可能的实现方式中，所述云台11包括底盘114和支架111。所述底盘114与所述行走机构90固定连接。换而言之，所述云台11通过所述底盘114与所述行走机构90固定连接。优选的，所述底盘114与所述行走机构90之间通过缓冲机构115连接。所述缓冲机构115可以为缓冲弹簧、缓冲气缸等。球形机器人正常工作时，所述缓冲机构115处于压缩状态，麦克纳姆轮121与盾13之间具有一定的预紧力，使得端和麦克纳姆轮121始终保持接触，防止盾13脱离麦克纳姆轮121而掉落在球形壳体50内部。

具体的，所述支架111固定于所述底盘114之远离所述行走机构90的面上。所述支架111具有一定的高度，使得连接于所述支架111上的麦克纳姆轮121能够与盾13相抵接。优选的，所述多个麦克纳姆轮121与所述盾13的相切点共面，且该面平行于水平面。这样设置的好处在于，当头部组件80位于球形外壳的最高点位置时，所述盾13的端面可以与水平面平行，避免盾13偏向某一侧，从而造成盾13脱落异常。具体的，所述支架111上设置有多个轴承113。所述多个麦克纳姆轮121通过所述轴承113转动固定于所述支架111上。所述麦克纳姆轮121还与皮带轮122固定连接，所述驱动电机123固定于所述底盘114上，所述驱动电机123通过皮带124与所述皮带轮122连接，驱动电机123通过皮带传动的方式驱动所述麦克纳姆轮121转动。可以理解的是，通过皮带轮传动可以实现长距离的机械传动，从而可以将驱动电机123设置在底盘114上，仅将麦克纳姆轮121固定于支架111，进而降低头部驱动组件10及整个球形机器人的重心，从而提高球形机器人的稳定性。可以理解的是，在其他实施方式中，驱动电机123还可以通过其他传动形式驱动所述麦克纳姆轮121转动，此处不加以限定。

本发明一种具体的实施例中，所述麦克纳姆轮121的数量为三个，三个所述麦克纳姆轮121均匀分布于所述支架111上。优选的，所述三个麦克纳姆轮121的转轴的在所述底盘114上的投影，两两之间的夹角为120°。所述三个麦克纳姆轮121与所述盾13的相切点共面，且该面平行于水平面。本实施例中所述每个所述驱动电机123通过皮带传动驱动一个所述麦克纳姆轮121转动。球形机器人的控制组件(未示出)对驱动电机123进行差速控制，从而控制三个麦克纳姆轮121的转速和转向，多个麦克纳姆轮121共同配合动作以带动盾13绕球形壳体50的球心转动，带动头部组件80绕球形壳体50的球心滑动。

可以理解的是，本发明的其他实施方式中，上述三个麦克纳姆轮121还可以以其他方式排布。所述麦克纳姆轮121的数量还可以为2个、4个、5个、6个……等。只要多个麦克纳姆轮121的配合工作后能够驱动所述盾13沿球形壳体50内表面上全方向滑动，即使得头部组件80在球形壳体50外表面绕球心转动即可。

本发明一种可能的实现方式中，所述盾13的端部上均匀设置有多个第一万向轮133，所述第一万向轮133与所述球形壳体50内表面滚动抵接，从而减小盾13与球形壳体50内表面相对滑动时的摩擦力阻力。优选的，所述第一万向轮133可以为麦克纳姆轮或万向球轮等。

请参阅图3，本发明一种可能的实现方式中，所述头部组件80包括头壳81和第二万向轮82。可选的，上述第二磁体可以收容于所述头壳81中。所述第二万向轮82的数量为多个，所述多个第二万向轮82均匀分布于所述头壳之靠近所述球形壳体50的端面上。所述第二万向轮82与所述球形壳体50相抵接。所述第二万向轮82能够减小头部组件80与球形壳体50相对滑动时的摩擦力。具体的，所述第二万向轮82可以为麦克纳姆轮或者万向球轮等。

可以理解的是，对于头部组件80而言，头部组件80具有一定的重量，因此头部组件80相对于所述球形壳体50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80从所述球形壳体50上脱落。经过反复多次试验可知，当头部组件80相对于球形壳体50顶部的摆动的角度超过45°时，头部组件80从球形壳体50上脱落的概率会急剧上升。因此，应当保证头部组件80相对于最高点时的偏摆角度小于或等于45°。请参阅图4，所述头部组件80位于所述球形壳体50的最高位置a处与所述球形壳体50的球心o的连线为第一连线，所述头部组件80位于所述球形壳体50的极限位置处b与球形壳体50的球心o的连线为第二连线，所述第一连线和所述第二连线的夹角小于或等于45°。由此可见，所述头部组件80的运动轨迹大致呈球冠状。

进一步具体的，请参阅图5所述盾13可以大致呈球冠状。同时，为了避免盾13在极限位置时，从所述驱动机构上脱落，应当保证在极限位置时，所述盾13始终与麦克纳姆轮121抵接。则应当满足：所述球冠状的盾13的高为h，所述球冠状的盾13的半径为r，则有

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。