本發明涉及機器人技術領域，尤其涉及一種球形機器人。

背景技術：

球形機器人是一種將驅動機構、控制器等安裝在一球形殼體內部，通過內驅動機構驅動球形殼體滾動運動的機器人。球形機器人與地面的接觸方式為點接觸，能夠全方位行走；具有零轉彎半徑，移動和轉向靈活方便。此外，球形機器人外形新穎，運動方式特殊，不怕翻倒，不會勾到其他東西，轉彎靈活，適合在家庭這種特殊而且復雜的環境下工作。

現有的球形機器人大多是滿足于行走功能，很少有球形機器人包括頭部；或者頭部上的結構單一，無法對頭部進行單獨控制，尤其在球形機器人靜止時，頭部無法單獨控制頭部的旋轉，這樣就大大降低了球形機器人的靈活性和操控體驗。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種球形機器人，該球形機器人包括頭部驅動組件，用以單獨驅動球形機器人的頭部運動，增強了球形機器人的靈活性。

為了實現上述目的，本發明實施方式提供如下技術方案：

本發明提供一種球形機器人，包括球形殼體、設置于所述球形殼體外表面的頭部組件和收容于所述球形殼體內部的頭部驅動組件，所述頭部驅動組件包括導軌組件、第一驅動單元、第二驅動單元、導向滑塊和盾，所述盾與所述頭部組件之間通過磁力作用保持靜止，所述頭部組件貼附于所述球形殼體外表面，所述第一驅動單元驅動所述導向滑塊在所述導軌組件上運動，以使得所述頭部組件在所述球形殼體的外表面滑動；所述盾轉動連接于所述導向滑塊，所述第二驅動單元驅動所述盾相對所述導向滑塊轉動，以使得所述頭部組件自轉。

其中，所述第二驅動單元還包括轉動軸，所述盾與所述導向滑塊通過轉動軸轉動連接，所述轉動軸包括連接軸和轉動軸承，所述連接軸一端與所述導向滑塊之間固定連接，所述連接軸在靠近另一端與所述轉動軸承的內圈固定連接，所述轉動軸承的外圈與所述盾固定連接。

其中，所述第二驅動單元包括第三驅動電機、第三齒輪和環形導軌，所述第三驅動電機與所述連接軸固定連接，所述第三齒輪固定于所述第三驅動電機的轉軸，所述環形導軌固定于所述盾上，所述環形導軌內側設置有第三齒牙，所述第三齒輪與所述第三齒牙嚙合設置。

其中，所述環形導軌的圓心與所述連接軸的軸線共線設置。

其中，所述轉動軸還包括軸承內圈上蓋和軸承外圈下蓋，所述連接軸在靠近另一端的位置上設置有抵接臺，所述轉動軸承的內圈套接于所述連接軸的另一端并與所述抵接臺相抵接，所述軸承內圈上蓋固定于所述連接軸的另一端，所述內圈夾持于所述抵接臺與所述軸承內圈上蓋之間，所述盾上設置有軸承外圈座，所述軸承外圈下蓋穿過所述連接軸并固定于所述軸承外圈座上，所述轉動軸承的外圈夾持于所述軸承外圈座與所述軸承外圈下蓋之間。

其中，所述第一驅動單元包括第一驅動電機及與所述第一驅動電機轉軸固定的第一齒輪，所述第一驅動電機固定于所述導向滑塊，所述導軌組件包括第一弧形導軌，所述第一弧形導軌上設置有第一齒牙，所述導向滑塊安裝于所述第一弧形導軌，所述第一齒輪與所述第一齒牙嚙合設置，所述第一驅動電機驅動所述導向滑塊在所述第一弧形導軌上移動。

其中，所述導向滑塊上還設置有導向滑輪，所述第一弧形導軌上設置有導向條，所述導向滑輪卡接于所述導向條上，所述導向滑輪在所述導向條上移動以限制所述導向滑塊的移動方向。

其中，所述第一驅動單元還包括第二驅動電機，所述導軌組件還包括底盤，所述第一弧形導軌與所述底盤通過轉軸轉動連接，所述第二驅動電機驅動所述第一弧形導軌繞所述轉軸轉動。

其中，所述第一驅動單元還包括與所述第二驅動電機轉軸連接的第二齒輪，所述導軌組件還包括第二弧形導軌，所述第二弧形導軌固定于所述底盤上，所述第二弧形導軌上設置有第二齒牙，所述第二驅動電機與所述第一弧形導軌固定連接，所述第二齒輪與所述第二齒牙嚙合設置，所述第二驅動電機驅動所述第二齒輪在所述第二弧形導軌上移動，以使得所述第一弧形導軌繞所述轉軸轉動。

其中，所述盾之遠離所述第二驅動單元的面上設置有萬向輪，所述盾及所述萬向輪與所述球形殼體內表面之間留有間隙。

本發明實施例具有如下優點或有益效果：

本發明實施例提供一種球形機器人，包括球形殼體、設置于所述球形殼體外表面的頭部組件和收容于所述球形殼體內部的頭部驅動組件，所述頭部驅動組件包括導軌組件、第一驅動單元、第二驅動單元、導向滑塊和盾，所述盾與所述頭部組件之間通過磁力作用保持靜止，所述頭部組件貼附于所述球形殼體外表面，所述第一驅動單元驅動所述導向滑塊在所述導軌組件上運動，以使得所述頭部組件在所述球形殼體的外表面滑動；所述盾轉動連接于所述導向滑塊，所述第二驅動單元驅動所述盾相對所述導向滑塊轉動，以使得所述頭部組件自轉。本發明的球形機器人可以通過頭部驅動組件控制頭部組件的運動，實現對頭部組件的單獨控制，提升了球形機器人的靈活性和操控體驗。

附圖說明

為了更清楚地說明本發明實施例或現有技術中的技術方案，下面將對實施例或現有技術描述中所需要使用的附圖作簡單地介紹，顯而易見地，下面描述中的附圖僅僅是本發明的一些實施例，對于本領域普通技術人員來講，在不付出創造性勞動的前提下，還可以根據這些附圖獲得其他的附圖。

圖1為本發明實施例的球形機器人的結構示意圖。

圖2為本發明頭部驅動組件結構示意圖。

圖3為本發明頭部驅動組件的另外一種視圖。

具體實施方式

下面將結合本發明實施例中的附圖，對本發明實施例中的技術方案進行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實施例僅僅是本發明的一部分實施例，而不是全部的實施例。基于本發明中的實施例，本領域普通技術人員在沒有做出創造性勞動的前提下所獲得的所有其它實施例，都屬于本發明保護的范圍。

此外，以下各實施例的說明是參考附加的圖示，用以例示本發明可用以實施的特定實施例。本發明中所提到的方向用語，例如，“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“內”、“外”、“側面”等，僅是參考附加圖式的方向，因此，使用的方向用語是為了更好、更清楚地說明及理解本發明，而不是指示或暗指所指的裝置或元件必須具有特定的方位、以特定的方位構造和操作，因此不能理解為對本發明的限制。

在本發明的描述中，需要說明的是，除非另有明確的規定和限定，術語“安裝”、“相連”、“連接”應做廣義理解，例如，可以是固定連接，也可以是可拆卸地連接，或者一體地連接；可以是機械連接；可以是直接相連，也可以通過中間媒介間接相連，可以是兩個元件內部的連通。對于本領域的普通技術人員而言，可以具體情況理解上述術語在本發明中的具體含義。

此外，在本發明的描述中，除非另有說明，“多個”的含義是兩個或兩個以上。若本說明書中出現“工序”的用語，其不僅是指獨立的工序，在與其它工序無法明確區別時，只要能實現該工序所預期的作用則也包括在本用語中。另外，本說明書中用“～”表示的數值范圍是指將“～”前后記載的數值分別作為最小值及最大值包括在內的范圍。在附圖中，結構相似或相同的用相同的標號表示。

請參閱圖1。圖1為本發明實施例的球形機器人的結構示意圖。本實施例中的球形機器人主要包括：球形殼體30、行走機構20、頭部組件10和頭部驅動組件50。所述行走機構20及所述頭部驅動組件50收容于所述球形殼體30內部。所述行走機構20與所述球形殼體30內表面相抵接，并用于驅動所述球形殼體30滾動進而實現機器人的全方位行走，因所述行走機構20不是本發明保護的重點，此處不加以詳細描述。所述頭部驅動組件50用于驅動所述頭部組件10相對于所述球形殼體30的外表面運動。所述行走機構20與所述頭部驅動組件50相互獨立工作。可以理解的是，由于行走機構20與所述頭部驅動組件50相互獨立工作。也就是說，無論所述行走機構20是否工作，所述頭部驅動組件50均能驅動所述頭部組件10繞所述球形殼體30的球心轉動。即包括如下情況：

1.球體機器人保持原地靜止，即所述球形外殼靜止，所述頭部驅動組件50驅動所述頭部組件10繞所述球形殼體30的球心轉動。

2.球體機器人為行進狀態，即所述球形外殼為滾動狀態，所述頭部驅動組件50驅動所述頭部組件10繞所述球形殼體30的球心轉動。

請結合參閱圖2。圖2為本發明頭部驅動組件結構示意圖。具體的，所述頭部驅動組件50包括導軌組件51、第一驅動單元、第二驅動單元、導向滑塊522和盾53。所述盾53可以大致呈圓形框架結構，盾53上設置有第一磁體531，所述頭部組件10上相應設置有第二磁體(未示出)，所述第一磁體531與所述第二磁體磁性相吸使得所述頭部組件10貼附于所述球形殼體30外表面，并且所述頭部組件10與所述盾53在磁力的作用下保持相對靜止。所述導軌組件51與所述行走機構20固定連接。所述第一驅動單元連接所述導軌組件51及所述導向滑塊522，所述盾53轉動連接于所述導向滑塊522，所述盾53能夠跟隨所述導向滑塊522一起運動。所述導向滑塊522安裝于所述導軌組件51上，所述第一驅動單元用于驅動所述導向滑塊522在所述導軌組件51上運動，以使得所述頭部組件10在所述球形殼體30的外表面相應滑動。所述第二驅動單元驅動所述盾53相對所述導向滑塊522轉動，以使得所述頭部組件10跟隨所述盾53自轉。優選的，所述盾53與所述球形殼體30內表面之間留有間隙，以減小所述盾53在運動過程中與球形殼體30內表面接觸的摩擦力。

可以理解的是，所述第一磁體531和所述第二磁體中至少有一個為磁鐵，另一個可以為磁鐵或者鐵塊，此處不以為限。

本發明的球形機器人包括球形殼體30、設置于所述球形殼體30外表面的頭部組件10和收容于所述球形殼體30內部的頭部驅動組件50所述頭部驅動組件50包括導軌組件51、第一驅動單元、第二驅動單元、導向滑塊522和盾53，所述盾53與所述頭部組件10之間通過磁力作用保持靜止，所述頭部組件10貼附于所述球形殼體30外表面，所述第一驅動單元驅動所述導向滑塊522在所述導軌組件51上運動，以使得所述頭部組件10在所述球形殼體30的外表面滑動；所述盾53轉動連接于所述導向滑塊522，所述第二驅動單元驅動所述盾53相對所述導向滑塊522轉動，以使得所述頭部組件10自轉。無論所述球形機器人處于靜止或滾動狀態，均可以通過頭部驅動組件50中的第一驅動單元驅動所述頭部組件10的移動，第二驅動單元驅動所述頭部組件10的自轉，控制頭部組件10在球形殼體30外表面的移動和自轉，實現對頭部組件10的單獨控制，提升了球形機器人的靈活性和操控體驗。

本發明一種可能的實現方式中，所述導向滑塊522大致呈“冂”狀，所述導向滑塊522的兩個內側壁上各設置有導向滑輪526。具體的，所述導向滑輪526與滑輪固定架(未編號)轉動連接，所述滑輪固定架固定于所述導向滑塊522內側。所述導向滑輪526的旋轉軸垂直于所述導向滑塊522的頂部。

具體的，所述盾53連接于所述導向滑塊522的頂部上，所述導向滑塊522運動時，所述盾53跟隨所述導向滑塊522一起運動。所述第一驅動單元包括第一驅動電機521和第一齒輪523。所述導軌組件51包括第一弧形導軌511和底盤512，所述第一弧形導軌511連接于所述底盤512上，所述底盤512與所述行走機構20連接。所述第一弧形導軌511包括兩個第一連接段5111和連接在兩個第一連接段5111之間的第一弧形段5112，所述兩個第一連接段5111對稱設置，所述兩個第一連接段5111的對稱面經過所述球形殼體30的球心。這樣設置的目的在于，當所述導向滑塊522在所述第一弧形導軌511上移動時，帶動所述盾53及所述頭部組件10能夠繞所述球形殼體30球心運動，保證盾53與頭部組件10之間距離保持不變，頭部組件10與盾53之間的磁力穩定，避免頭部組件10晃動，防止頭部組件10脫離球形殼體30外表面。所述第一弧形導軌511通過所述第一連接段5111連接于所述底盤512。可以理解的是，假如所述第一弧形導軌511的剛度足夠的話，所述第一連接段5111的數量還可以為一個。所述第一弧形段5112外周面上設置有多個第一齒牙5113，所述第一弧形段5112的兩個側面上各設置有一導向條5114。所述導向滑塊522安裝于所述第一弧形導軌511，并且每一所述導向滑輪526卡接于一所述導向條5114上，所述導向滑輪526在所述導向條5114上移動以限制所述導向滑塊522的移動方向。所述第一驅動電機521與所述導向滑塊522固定連接，所述第一驅動電機521的轉軸上固定有所述第一齒輪523，所述第一齒輪523與所述第一齒牙5113嚙合設置。所述第一驅動電機521帶動所述第一齒輪523轉動，所述第一齒輪523與所述第一齒牙5113的嚙合作用，使得所述導向滑塊522在所述第一弧形導軌511上移動。可以理解的是，導向滑塊522在所述第一弧形導軌511上移動，帶動與所述導向滑塊522連接的盾53一起移動，由于所述頭部組件10與所述盾53之間保持相對靜止且貼附于與球形殼體30外表面。即所述頭部組件10可以在所述球形殼體30外表面滑動。

本發明一種可能的實現方式中，所述導軌組件51還包括第二弧形導軌513。所述第一驅動單元還包括第二驅動電機524和第二齒輪525。具體的，所述第一弧形導軌511通過所述兩個第一連接段5111轉動連接于所述底盤512。優選的，所述底盤512可以為碳纖維材料制成。進一步具體的，兩個所述第一連接段5111上各設置有轉軸5110，所述第一弧形導軌511通過所述轉軸5110與所述底盤512轉動連接，并且所述轉軸5110與所述第二弧形導軌513的圓心共線。這樣設置的目的在于，當所述第一弧形導軌511繞所述轉軸5110轉動時，帶動所述盾53及頭部組件10繞所述球形殼體30的球心運動，保證盾53與頭部組件10之間距離保持不變，頭部組件10與盾53之間的磁力穩定，避免頭部組件10晃動。所述第二驅動電機524驅動用于驅動所述第一弧形導軌511繞所述轉軸5110轉動。具體的，所述第二齒輪525與所述第二驅動電機524轉軸連接。所述第二弧形導軌513的包括兩個第二連接段5116及連接在兩個第二連接段5116之間的第二弧形段5117，所述第二弧形導軌513的兩個第二連接段5116對稱設置，且其對稱面通過所述球形殼體30的球心。這樣設置的目的在于，當所述第二驅動電機524驅動所述第二齒輪525在所述第二弧形導軌513上移動時，所述第一弧形導軌511恰好繞所述轉軸5110轉動。具體的，所述第二弧形導軌513通過所述第二連接段5116固定于所述底盤512上。所述第二弧形段的外周面上設置有第二齒牙5118。所述第二驅動電機524與所述第一弧形導軌511的第一連接段固定連接，所述第二齒輪525與所述第二齒牙5118嚙合設置。所述第二驅動電機524帶動所述第二齒輪525轉動，由于所述第二齒輪525與所述第二齒牙5118的嚙合作用，使得所述第二齒輪525在所述第二弧形導軌513上相對移動，帶動所述第一弧形導軌511繞所述轉軸轉動。

本發明一種可能的實現方式中，所述第一弧形導軌511所在的平面與所述第二弧形導軌513所在的平面互相垂直。這樣設置的好處在于，所述導向滑塊522和盾53(在由所述第一弧形導軌511及所述第二弧形導軌513組成的導軌組件51上運動時)具有兩個垂直方向的自由度，保證所述頭部組件10能夠在所述球形外殼上實現兩個自由度的運動。

可以理解的是，對于頭部組件10而言，頭部組件10具有一定的重量，因此頭部組件10相對于所述球形殼體30的球心的擺動角度不能過大。擺動的角度過大會造成頭部組件10從所述球形殼體30上脫落。經過反復多次試驗可知，當頭部組件10相對于球形殼體30頂部的擺動的角度超過45°時，頭部組件10從球形殼體30上脫落的概率會急劇上升。因此，應當保證頭部組件10相對于最高點時的偏擺角度小于或等于45°。也就是說，所述第一弧形導軌511的圓心角小于或等于90°，且所述第二弧形導軌513的圓心角小于或等于90°。優選的，所述第一弧形導軌511的圓心角及所述第二弧形導軌513的圓心角為80°。

本發明一種可能的實現方式中，所述盾53之遠離所述驅動單元的面上設置有第一萬向輪532，所述盾53及所述第一萬向輪532與所述球形殼體30內表面之間留有間隙。具體的，所述第一萬向輪532可以為萬向球輪或者麥克納姆輪。所述第一萬向輪532的作用在于，當球體機器人運動過程中，所述盾53有可能會由于震動而與球形殼體30內表面發生接觸，此時通過所述第一萬向輪532可以減小盾53與球形殼體30內表面接觸時的摩擦阻力。可以理解的是，當球形機器人處于靜止狀態時，所述盾53及設置于盾53上的第一萬向輪532與所述球形殼體30內表面之間留有間隙，使得所述盾53與所述第一萬向輪532與所述球形殼體30內表面之間恰好不接觸，從而減小盾53運動時的阻力。

請結合參閱圖3，圖3為本發明頭部驅動組件的另外一種視圖。本發明一種可能的實現方式中，所述第二驅動單元包括第三驅動電機61，所述第三驅動電機61連接在所述導向滑塊522與所述盾53之間，所述第三驅動電機61用于驅動所述盾53沿其圓心自轉，進而實現頭部組件10的原地自轉功能。通過第三驅動電機61驅動頭部組件10自轉，使得頭部組件10的運動具有自轉的自由度。

具體的，所述第二驅動單元還包括轉動軸。所述盾53與所述導向滑塊522通過轉動軸62轉動連接。進一步具體的，所述轉動軸62包括連接軸621、軸承內圈上蓋622、軸承外圈下蓋623和轉動軸承624。所述連接軸621一端與所述導向滑塊522之間通過螺釘固定連接。所述連接軸621在靠近另一端的位置上設置有抵接臺625，所述轉動軸承624的內圈套接于所述連接軸621的另一端并與所述抵接臺625相抵接，所述軸承內圈上蓋622通過螺釘固定于所述連接軸621的另一端，所述轉動軸承624內圈抵接于所述抵接頭與所述軸承內圈上蓋622之間。可以理解的是，所述轉動軸承624的內圈與所述連接軸621固定且保持靜止。所述盾53上設置有軸承外圈座(未示出)，所述轉動軸承624的外圈與所述盾53的軸承外圈座相抵接，所述軸承外圈下蓋623穿過所述連接軸621并通過螺釘固定于所述盾53上，所述外圈夾持于所述盾53的軸承外圈座與所述軸承外圈下蓋623之間。可以理解的是，所述外圈與所述盾53固定且保持靜止。

進一步具體的，所述第三驅動電機61通過電機座611與連接軸621固定連接，所述第二驅動單元還包括與所述第三驅動電機61轉軸固定連接的第三齒輪612。所述導第二驅動單元還包括環形導軌63，所述環形導軌63大致呈圓環形，環形導軌63內側設置有第三齒牙631。也就是說，所述環形導軌63類似于內齒輪狀。所述環形導軌63固定于所述盾53靠近所述驅動單元的面上。優選的，所述環形導軌63的圓心與所述轉動軸62(連接軸621)的軸線共線。這樣設置的目的在于使得所述盾53及頭部組件10沿盾53的圓心自轉。所述第三齒輪612與所述環形導軌63上的齒牙嚙合設置。當所述第三驅動電機61帶動所述第三齒輪612轉動時，由于第三齒輪612與所述第三齒牙631的嚙合作用，所述環形導軌63帶動所述盾53及轉動軸承624的外圈一起相對于所述轉動軸承624的內圈轉動。也就是說，所述盾53繞所述轉動軸62轉動，進而帶動所述頭部組件10自轉。

本發明一種可能的實現方式中，所述頭部組件10包括頭殼11和第二萬向輪13。可選的，上述第二磁體可以收容于所述頭殼11中。所述第二萬向輪的數量為多個，所述多個第二萬向輪13均勻分布于所述頭殼之靠近所述球形殼體30的端面上。所述第二萬向輪13與所述球形殼體30相抵接。所述第二萬向輪13能夠減小頭部組件10與球形殼體30相對滑動時的摩擦力。具體的，所述第二萬向輪13可以為麥克納姆輪或者萬向球輪等。

可以理解的是，本發明的球形機器人中還包括供電組件、控制組件、信息傳輸組件、傳感組件等等。因其不是本發明的重點，因此未作詳盡介紹。

在本說明書的描述中，參考術語“一個實施例”、“一些實施例”、“示例”、“具體示例”或“一些示例”等的描述意指結合該實施例或示例描述的具體特征、結構、材料或者特點包含于本發明的至少一個實施例或示例中。在本說明書中，對上述術語的示意性表述不一定指的是相同的實施例或示例。而且，描述的具體特征、結構、材料或特點可以在任何的一個或多個實施例或示例中以合適的方式結合。

以上所述的實施方式，并不構成對該技術方案保護范圍的限定。任何在上述實施方式的精神和原則之內所作的修改、等同替換和改進等，均應包含在該技術方案的保護范圍之內。