球形机器人的制作方法

本发明涉及机器人领域，具体涉及一种可无级变速的球形机器人。

背景技术：

球形机器人由于受限于滚动的行走方式，往往运动稳定性不高，在遇到地面凸起障碍时，速度过快会导致球壳与凸起障碍剧烈撞击，会对球壳造成损伤，甚至损坏球壳内部的电子线路及组件；而在遇到地面凹陷时，速度过慢会导致球形机器人无法滚出凹陷。为了提高球形机器人运动稳定性，需要对球形机器人的运动速度进行控制，现有的球形机器人通常通过电机调节速度，包括调压调速、变极调速、变频调速等，但是这些调速方法存在着调速过程中出现如电机效率较低、有谐波干扰、正常运行时无制动转矩或不能实现无级平滑的调速等问题。

因此，提出一种能调节运动速度且保持电机效率的球形机器人，以增加球形机器人的运动稳定性，为业界人士重点研究课题。

技术实现要素：

针对以上的问题，本发明的目的是提供一种球形机器人，能调节运动速度且保持电机效率。

为了解决背景技术中存在的问题，本申请可采用如下的技术方案：一种球形机器人，包括球壳和设于所述球壳内部的驱动组件，所述驱动组件包括连接部及固连于所述连接部的伸缩驱动部、转动连接于所述连接部的驱动臂；所述连接部通过浮动连接件连接至所述球壳内壁；

所述驱动臂设有驱动轮和第一电机，所述驱动轮位于所述驱动臂之远离所述连接部的一端且接触所述球壳，所述第一电机用于驱动所述驱动轮旋转，且通过所述驱动轮和所述球壳之间产生摩擦力带动所述球壳转动；所述驱动臂与所述伸缩驱动部之间设有第一连杆，所述伸缩驱动部推动所述第一连杆相对于所述连接部做往返运动，带动所述驱动臂绕所述连接部摆动，以通过所述驱动轮相对所述连接部位置的变化来调节所述球壳转速。

一种实施方式中，所述伸缩驱动部包括第一导轨、将所述第一导轨固定于所述连接部的导轨固定件、套设于所述第一导轨上的第一连接件及设于所述第一导轨远离所述连接部的一端的第二电机，所述第二电机用以驱动所述第一连接件沿所述第一导轨滑动；

所述第一连杆包括相对设置的第一端和第二端，所述第一端和所述第二端分别转动连接于所述第一连接件和所述驱动臂；所述第一连接件沿所述第一导轨滑动，带动所述第一连杆相对于所述连接部做往返运动，且带动所述驱动臂绕所述连接部摆动。

一种实施方式中，所述驱动臂还包括连接于所述连接部与所述驱动轮之间的第二连杆，所述驱动轮与所述第二连杆之间设有弹性连接件，所述弹性连接件沿着所述驱动臂方向延伸，在所述球形机器人运动过程中起到缓冲及为所述驱动轮与所述球壳之间提供接触压力的作用。

一种实施方式中，所述弹性连接件包括弹簧、设于所述弹簧相对两侧的第二导轨、及设于所述第二导轨上的滑块，所述第二导轨一端固定连接于所述第二连杆，另一端朝向所述驱动轮方向延伸，所述滑块一端设于所述第二导轨上，另一端固定于所述驱动轮，所述弹簧固定于所述第二连杆与所述驱动轮之间，且处于压缩状态，以便于为所述驱动轮与所述球壳之间提供接触压力。

一种实施方式中，所述驱动臂的延伸方向经过所述驱动轮旋转所在面。

一种实施方式中，所述浮动连接件包括连接杆和设于所述连接杆与所述球壳之间的万向轮，所述连接杆固定连接于所述连接部，所述万向轮与所述球壳内壁相接触，并使得所述浮动连接件可与所述驱动组件一起与所述球壳相对运动。

一种实施方式中，所述驱动臂为多个，环绕于所述伸缩驱动部呈对称分布。

一种实施方式中，其特征在于，所述驱动组件为多个，所述多个驱动组件连接于所述浮动连接件，且所述多个驱动组件在所述球壳中关于所述球壳中心呈对称分布。

一种实施方式中，所述球形机器人还包括支撑台和配重块，所述驱动组件固定于所述支撑台上；所述配重块设于所述支撑台背离所述驱动组件的一侧，用以降低所述球形机器人的重心及增加所述驱动组件在所述球壳内的稳定性。

一种实施方式中，所述支撑台还设有支撑轮，所述支撑轮周面与所述球壳相接触，用以支撑所述支撑台。

本申请针对现有的球形机器人无法满足在不影响电机效率下，实现速度调节的问题，提供了一种球形机器人，包括球壳和设于所述球壳内部的驱动组件。所述驱动组件包括连接部及固连于所述连接部的伸缩驱动部、转动连接于所述连接部且设于所述伸缩驱动部相对两侧的驱动臂；通过所述第一电机驱动所述驱动轮自转，在球壳内壁产生转动摩擦力以带动所述球壳相对于所述驱动组件转动，所述球壳的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球壳相对于地面的滚动；通过在所述驱动臂与所述伸缩驱动部之间设置第一连杆，所述伸缩驱动部推动所述第一连杆相对于所述连接部做往返运动，带动所述驱动臂绕所述连接部摆动，且改变所述驱动轮相对所述连接部位置，以带动所述驱动轮在所述球壳内壁沿着不同的圆周运动。其中，所述驱动轮沿着半径越大的圆运动，则球壳转动速度越小，所述驱动轮沿着半径越小的圆运动，则球壳转动速度越大，通过调节驱动臂的张开或收紧的角度，即可调节所述球壳转动速度，该速度调节方式为无级变速过程，实现稳定变速，且不影响电机效率，提高球形机器人的传动效率，并有利于降低球形机器人的能耗，增加续航时间。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例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是本发明实施例提供的一种球形机器人结构示意图。

图2是本发明实施例提供的一种球形机器人结构示意图。

图3-1是本发明实施例提供的一种球形机器人转速比调节原理图。

图3-2是本发明实施例提供的一种球形机器人转速比调节原理图。

图4-1是本发明实施例提供的一种球形机器人的驱动组件结构示意图。

图4-2是本发明实施例提供的一种球形机器人的驱动组件结构示意图。

图5是本发明实施例提供的一种球形机器人的驱动组件局部结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1及图2，图1及图2是本发明实施例提供的一种球形机器人，包括球壳1和设于所述球壳1内部的驱动组件2。所述驱动组件2包括连接部20及固定连接于所述连接部20的伸缩驱动部22、转动连接于所述连接部20的驱动臂21。所述连接部20通过浮动连接件6连接至所述球壳1内壁。一种实施方式中，伸缩驱动部22可以沿所述球壳1中心轴分布。所述浮动连接件6固定所述连接部20，一端与所述球壳1内壁相接触，且可与所述驱动组件2一起与所述球壳1相对运动，以防止所述驱动组件2在所述球壳1内侧翻。

进一步地，所述驱动臂21远离所述连接部20的一端设有驱动轮201、及驱动所述驱动轮201绕其中心轴自转的第一电机202，所述驱动轮201的部分周面与所述球壳1内壁相接触，所述驱动轮201在自转过程中，在所述球壳1内壁产生转动摩擦力从而带动所述球壳1相对于所述驱动组件2转动，所述球壳1的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球壳1相对于地面的滚动。所述第一电机202与所述驱动轮201之间的传动方式不局限于皮带传动，也可用其他传动方式。

进一步地，所述驱动臂21与所述伸缩驱动部22之间设有第一连杆23，所述伸缩驱动部22推动所述第一连杆23相对于所述连接部20做往返运动，带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动以通过带动所述驱动轮相对在所述连接部位置的变化来调节所述球壳转速。一种实施方式中，所述驱动臂21为两个，且对称分布于所述伸缩驱动部22两侧，所述伸缩驱动部22推动所述第一连杆23相对于所述连接部20做往返运动，可带动两个所述驱动臂21绕所述连接部20做张开或收紧运动，通过所述驱动轮201相对在所述连接部20的位置变化来调节所述球壳1转速。具体为，所述驱动轮201相对于所述球壳1做圆周运动，所述驱动轮201相对在所述连接部20位置的变化，使得所述驱动轮201在所述球壳1内壁沿着不同的圆周运动，在驱动轮201转速一定下，所述驱动轮201在所述球壳1内壁沿着不同的圆周运动，则所述驱动轮201与所述球壳1之间的转速比不同，从而实现在不影响电机效率的同时使所述球壳1的无级变化。

本申请实施例提供的一种球形机器人，通过所述第一电机202驱动所述驱动轮201自转，在球壳1内壁产生转动摩擦力以带动所述球壳1相对于所述驱动组件2转动，所述球壳1的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球壳1相对于地面的滚动；通过在所述驱动臂21与所述伸缩驱动部22之间设置第一连杆23，所述伸缩驱动部22推动所述第一连杆23相对于所述连接部20做往返运动，带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动，且带动所述驱动轮201在所述球壳1内壁沿着不同的圆周运动，来调节所述驱动轮201与所述球壳1的转速比，在不影响电机效率的同时使所述球壳1的转速变化。其中，所述驱动轮201沿着半径越大的圆运动，则球壳1转动速度越小，所述驱动轮201沿着半径越小的圆运动，则球壳1转动速度越大，通过调节驱动臂21的张开或收紧的角度；此外，通过连续调节驱动臂21的张开或收紧的角度，实现了所述球壳1无级变速。

可以理解地，本申请所保护的所述驱动组件2可用于但不仅仅限于所述的球形机器人，还可以用于其他需要变速或无级变速的球形运动机构中。

可以理解地，所述驱动臂21可以是一对，也可以是大于或等于3个。在一对所述驱动臂21中，所述第一电机202通过控制一对所述驱动轮201的差速即可实现所述球形机器人的前进、后退、左转弯、右转弯、自转等运动。

请参阅图3-1及图3-2，一种实施方式中，驱动臂21为一对，所述伸缩驱动部22经过所述球壳1的中心，所述驱动臂21和驱动轮201对称分布于伸缩驱动部22的两侧；所述驱动组件2中所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比i为：

i＝(n1/n2)＝(l/r)∝(1/θ)(1)

其中，n1为所述驱动轮201的转速，在所述第一电机202驱动功率不变的情况下，所述驱动轮201的转速不变；n2为所述球壳1的转速；r所述驱动轮201半径，为不变量；l为所述驱动轮201相对于所述球壳1运动的圆周半径；θ为所述驱动轮201中心到所述球壳1的中心的连线与竖直中心线之间的夹角。

由式(1)可知，所述一对驱动臂21张开的夹角θ越大，所述驱动轮201沿着所述球壳1运动的圆周半径l越小，则所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比i就越小，所述球壳1的转动速度越快；所述一对驱动臂21张开的夹角θ越小，所述驱动轮201沿着所述球壳1运动的圆周半径l越大，则所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比i就越大，所述球壳1的转动速度越慢。本实施例通过调节所述一对驱动臂21张开的夹角θ，即可实现所述球壳1的转动速度的调节，而且，由于所述一对驱动臂21张开的夹角θ可调连续变化，则所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比i也可调连续变化，从而实现了所述球壳1转动的无级变速调节。

请参阅图3-1，当球形机器人越障或爬坡时，在电机输出功率一定的情况下，为提供足够大的转动力矩，则需要较小的球壳1速度，即需要增大所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比，也就是驱动臂21张开的夹角θ较小。此时通过控制第二电机224带动第一连接件223朝向所述第二电机224移动，第一连接件223通过第一连杆23带动驱动臂21绕所述连接部20朝向所述第一连接件223转动，从而使一对驱动臂21收紧，从而得到减小的夹角θ1，此时驱动轮201沿着直径为a1c1、b1d1的圆周运动。由式(1)可知，此时转速比i增大，球壳1速度减小。

请参阅图3-2，当球形机器人在平地行走时，需要提高机器人的移动速度，即要增大所述球壳1的转动速度，需要减小所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出转速比，也就是驱动臂21张开的夹角θ较大。此时通过控制第二电机224推动第一连接件223朝向所述连接部20移动，第一连接件223通过第一连杆23带动驱动臂21绕所述连接部20朝远离所述第一连接件223方向转动，从而使一对驱动臂21伸展开，从而得到较大的夹角θ2，此时驱动轮201沿着直径为a2c2、b2d2的圆周运动。由式(1)可知，此时转速比i减小，球壳1速度增加。

由上可知，通过改变驱动臂21张开的夹角θ，即可根据需求在一定范围内任意改变转速比i，从而使得所述球壳1实现无级变速。

在本申请实施方式中，所述一对驱动臂21交点可以位于球壳1中心处，及所述连接部20设于所述球壳1中心，也可以不位于球壳1中心处，本申请对于所述一对驱动臂21交点相对于所述球壳1中的位置不做限制。

本申请对于所述驱动臂21的数量不做限制，所述驱动臂21可以为2个对称分布于所述伸缩驱动部22两侧，还可以，所述驱动臂21可以为3个或以上，分别环绕于所述伸缩驱动部22对称分布。相应地，可设有多个第一连杆23，所述多个第一连杆23一端均转动连接于第一连接件223，所述伸缩驱动部22带动所述第一连接件223朝向或远离所述连接部20运动，带动所述多个第一连杆23推动或下拉多个驱动臂21同时绕所述连接部20摆动，实现多个驱动臂21的张开或收紧，从而调节所述球壳1的速度。多个驱动臂21为所述球形机器人提供了多个驱动轮201，可以为所述球壳1提供更大的驱动力。

请参阅图4-1及图4-2，所述伸缩驱动部22包括第一导轨221、将所述第一导轨221固定于所述连接部20的导轨固定件222、套设于所述第一导轨221上的第一连接件223及设于所述第一导轨221远离所述连接部20的一端的第二电机224，所述第二电机224用以驱动所述第一连接件223沿所述第一导轨221滑动。所述第一连杆23包括相对设置的第一端232和第二端233，所述第一端232和所述第二端233分别转动连接于所述第一连接件223和所述驱动臂21；所述第一连接件223沿所述第一导轨221滑动，带动所述第一连杆23相对于所述连接部20做往返运动，且带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动。

可以理解的，所述第二电机224不局限于采用螺杆式电机或直线电机，也可以采用液压气缸或其他可实现将驱动臂21摆动的其他连杆机构。

进一步地，所述第一导轨221两端还设有第一限位件225、226，所述第一限位件225、226用于所述第一连接件223沿所述第一导轨221滑动的两个端点位置的限位。所述第一限位件225、226可以为限位阻尼块，也可用限位开关或其他限位方式替代。所述第一限位件225、226的材质可以为橡胶等耐磨材料，一方面对第一连接件223起到了缓冲减震作用，另一方面，减少对第一连接件223的磨损，延长其使用寿命。

请参阅图5，一种实施方式中，所述驱动臂21还包括连接于所述连接部20与所述驱动轮201之间的第二连杆227；所述第二连杆227上设有第二连接件229，所述第一连杆23的第二端233转动连接于所述第二连接件229。所述第一连接件223沿所述第一导轨221朝向所述连接部20滑动过程，使得所述第一连杆23始终推动所述驱动臂21绕所述连接部20转动，以增大所述驱动臂21绕着所述连接部20伸展的角度。具体而言，第二电机224推动第一连接件223朝向所述连接部20运动过程中，所述第一连杆23绕所述第二连接件229转动且推动所述驱动臂21，进而使驱动臂21张开，直到第一连接件223位于最顶端时，即最靠近所述连接部20的位置时，此时驱动臂21张开的夹角θ最大，这样的设计可获得较大的驱动臂21张开的夹角θ，同时第一连接件223移动距离较小，可简化和减少伸缩驱动部22的结构，从而减少驱动组件2占据的空间，便于其他结构的布局。

请参阅图4-1、图4-2及图5，一种实施方式中，所述驱动轮201与所述第二连杆227之间设有弹性连接件24，所述弹性连接件24沿着所述驱动臂21方向延伸，在所述球形机器人运动过程中起到缓冲保护及为所述驱动轮201与所述球壳1之间提供接触压力。一种实施方式中，所述弹性连接件24包括弹簧241、设于所述弹簧241相对两侧的第二导轨242、及设于所述第二导轨242上的滑块243，所述第二导轨242一端固定连接于所述第二连杆227，另一端朝向所述驱动轮201方向延伸，所述第二导轨242两端设有第二限位件244、245，第二限位件244、245用于限制所述滑块243的滑动位置。所述滑块243一端设于所述第二导轨242上，可相对于所述第二导轨242滑动，另一端固定于所述驱动轮201，所述弹簧241固定于所述第二连杆227与所述驱动轮201之间，且处于压缩状态，以便于为所述驱动轮201与所述球壳1之间提供接触压力。此外，在球形机器人运动过程中，所述弹簧241可通过其压缩量的变化确保驱动轮201始终与球壳1紧密接触以便于所述驱动轮201通过转动摩擦力带动所述球壳1运动。其他实施方式中，所述弹性连接件24也可以是弹性橡胶、弹性塑料等其他的弹性元件，在本申请中，不对所述弹性连接件24的具体结构进行限制。

一种实施方式中，所述驱动臂21的延伸方向经过所述驱动轮201旋转所在面，即所述驱动轮201的径向沿着所述驱动臂21的延伸方向，这样使得驱动轮201的周面充分接触球壳1，球滚动的速度更快；而且弹性连接件24对于所述驱动轮201的压力与所述驱动轮201对于球壳1的压力方向一致，结构设计更加合理，在球形机器人运动时更加稳定。

请参阅图1，所述浮动连接件6包括连接杆61和设于所述连接杆61与所述球壳1之间的万向轮62，所述连接杆61固定连接于所述连接部20，所述万向轮62与所述球壳1内壁相接触，所述浮动连接件62可与所述驱动组件2一起与所述球壳1相对运动。所述浮动连接件6可增加驱动组件的稳定性。万向轮62还可以由滚珠代替。

本申请对于所述驱动组件2的数量不做限制，所述球壳1中可以设有多个所述驱动组件2，所述多个驱动组件均连接于所述浮动连接件上，且所述多个驱动组件2在所述球壳1中可以关于所述球壳1中心呈对称分布。

进一步地，所述球形机器人还包括支撑台3和配重块4，所述驱动组件2固定于所述支撑台3上；所述配重块4设于所述支撑台3背离所述驱动组件2的一侧，用以降低所述球形机器人的重心，及增加所述驱动组件2在所述球壳1内的稳定性。

所述支撑台3设有支撑轮5，所述支撑轮5周面与所述球壳1相接触，用以支撑所述支撑台3。

本申请实施例提供的一种球形机器人，通过所述第一电机202驱动所述驱动轮201自转，在球壳1内壁产生转动摩擦力以带动所述球壳1相对于所述驱动组件2转动，所述球壳1的转动于地面之间产生摩擦力，实现了所述球壳1相对于地面的滚动；通过在所述驱动臂21与所述伸缩驱动部22之间设置第一连杆23，所述伸缩驱动部22推动所述第一连杆23相对于所述连接部20做往返运动，带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动，且带动所述驱动轮201在所述球壳1内壁沿着不同的圆周运动，来调节所述驱动轮201与所述球壳1的转速比，在不影响电机效率的同时使所述球壳1的转速变化。其中，所述驱动轮201沿着半径越大的圆运动，则球壳1转动速度越小，所述驱动轮201沿着半径越小的圆运动，则球壳1转动速度越大，通过调节驱动臂21的张开或收紧的角度，；来调节所述驱动轮201在所述球壳1内壁运动的圆周半径，从而实现所述球壳1转动速度调节；此外，由于可通过连续调节驱动臂21的张开或收紧的角度，从而实现了所述球壳1无级变速。

本申请提供的球形机器人，在不影响电动机效率下，实现了所述球形机器人的速度变化，特别地，当球形机器人越障时，可不影响电动机效率情况下实现减小运动速度，输出较大的扭力矩，帮助越障，并有利于降低球形机器人的能耗，增加续航时间。此外，该速度变化过程为无级变速，速度调节方便可控，该机构结构新颖、实用性强、装配简单。