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，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云臺、驅動單元和盾，所述驅動單元固定于所述云臺，所述盾抵接于所述驅動單元與所述球形殼體內表面之間，所述盾上設置有第一磁體，所述頭部組件上相應設置有第二磁體，所述第一磁體與所述第二磁體相吸引使得所述頭部組件貼附于位于球形殼體的外表面，并且所述頭部組件與所述盾相對靜止，所述驅動單元驅動所述盾在所述球形殼體內表面滑動，以使得所述頭部組件在所述球形殼體的外表面滑動。

其中，所述驅動單元包括多個麥克納姆輪和多個驅動電機，所述麥克納姆輪設置于所述云臺上且與所述盾相抵接，每個所述驅動電機用于驅動一個所述麥克納姆輪轉動，使得所述盾在所述球形殼體內表面滑動。

其中，所述麥克納姆輪的數量至少為三個，所述至少三個所述麥克納姆輪均勻分布于所述支架上。

其中，所述云臺包括底盤和支架，所述支架及所述驅動電機固定于所述底盤上，所述多個麥克納姆輪轉動固定于所述支架上，所述驅動電機通過皮帶傳動驅動所述麥克納姆輪轉動。

其中，還包括收容于所述球形殼體內部的行走機構，所述行走機構用于驅動所述球形殼體滾動，所述底盤與所述行走機構固定連接。

其中，所述底盤與所述行走機構之間通過緩沖機構固定連接。

其中，所述盾的端部上設置有第一萬向輪，所述第一萬向輪與所述球形殼體內表面抵接。

其中，所述頭部組件位于所述球形殼體的最高位置處與所述球形殼體的球心的連線為第一連線，所述頭部組件位于所述球形殼體的極限位置處與球形殼體的球心的連線為第二連線，所述第一連線和所述第二連線的夾角小于或等于45°。

其中，所述盾呈球冠狀，所述球冠狀的盾的高為h，所述球冠狀的盾的半徑為r，則有

其中，所述頭部組件包括頭殼和第二萬向輪，所述第二萬向輪設置于所述頭殼之靠近所述球形殼體的端面上，所述第二萬向輪與所述球形殼體相抵接。

本發明實施例具有如下優點或有益效果：

本發明的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，通過在球形殼體內部的頭部驅動組件驅動所述頭部組件沿所述球形殼體的外表面滑動，實現對頭部組件的單獨控制，即使球形機器人處于靜止狀態，仍可以控制頭部組件的運動，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為本發明一種實施例的球形機器人分解示意圖。

圖2為本發明球形機器人省略頭部組件和球殼的結構示意圖。

圖3是圖1所述的球形機器人的另一種示意圖。

圖4是頭部組件的運動軌跡示意圖。

圖5是盾的剖面示意圖示意圖。

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。

請結合參閱圖1和圖2。圖1為本發明一種實施例的球形機器人分解示意圖。圖2為本發明球形機器人省略頭部組件和球殼的結構示意圖。本發明的球形機器人主要包括：球形殼體50、行走機構90、頭部組件80和頭部驅動組件10。所述行走機構90及所述頭部驅動組件10收容于所述球形殼體50內部。所述行走機構90與所述球形殼體50內表面相抵接，并用于驅動所述球形殼體50滾動進而實現機器人的全方位行走，因其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10用于驅動所述頭部組件80相對于所述球形外殼的外表面運動。所述行走機構90與所述頭部驅動組件10相互獨立工作。

所述頭部驅動組件10包括云臺11、驅動單元12和盾13。具體的，所述云臺11的一端與所述行走機構90固定連接，所述驅動單元12固定于所述云臺11，所述盾13抵接于所述驅動單元12與所述球形殼體50內表面之間。具體的，所述球形外殼介于所述頭部組件80與所述盾13之間。所述盾13上設置安裝槽131，所述安裝槽131中固定有第一磁體132，所述頭部組件80上相應設置有第二磁體(圖未示出)，所述第一磁體132與所述第二磁體相吸引，通過所述第一磁體132與所述第二磁體的磁性吸附作用，使得所述頭部組件80與所述盾13保持靜止，并且在磁力的作用下使得所述頭部組件80貼附于球形殼體50的外表面。所述驅動單元12驅動所述盾13在所述球形殼體50內表面滑動，以使得所述頭部組件80沿球形殼體50的外表面滑動。

可以理解的是，所述第一磁體132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50、設置于所述球形殼體50外表面的頭部組件80和收容于所述球形殼體50內部的頭部驅動組件10，通過在球形殼體50內部的頭部驅動組件10驅動所述頭部組件80沿所述球形殼體50的外表面滑動，實現對頭部組件80的單獨控制，無論所述球形機器人處于靜止或滾動狀態，均可以控制頭部組件80的運動，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，所述驅動單元12包括多個麥克納姆輪121和多個驅動電機123。麥克納姆輪121是一種全方位移動車輪，該輪是在傳統車輪的基礎上，在輪緣上再沿與軸線方向安裝若干可以自由旋轉的滾子，在車輪滾動時，通過控制各車輪的轉速差，滾子就會產生側向運動，即通過麥克納姆輪121的組合使用和控制，可以使基于麥克納姆輪121驅動的盾13產生運動平面內的任意方向移動和轉動，且能夠在較為狹窄的空間內實現靈活的運動。所述多個麥克納姆輪121與所述多個驅動電機123一一對應，每個所述驅動電機123用于驅動一個所述麥克納姆輪121轉動。所述多個麥克納姆輪121設置于所述云臺11上并與所述盾13相抵接。通過多個麥克納姆輪121的配合工作，使得所述盾13能夠在所述球形殼體50內表面上全向滑動，從而控制所述頭部組件80沿球形殼體50外表面滑動。換而言之，所述頭部組件80可以繞所述球形殼體50的球心轉動。

可以理解的是，由于行走機構90與所述頭部驅動組件10相互獨立工作。也就是說，無論所述行走機構90是否工作，所述頭部驅動組件10均能驅動所述頭部組件80可以繞所述球形殼體50的球心轉動。即包括如下情況：

1.球體機器人保持靜止，即所述球形外殼靜止，所述頭部驅動組件10驅動所述頭部組件80繞所述球形殼體50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10驅動所述頭部組件80繞所述球形殼體50的球心轉動。

本發明一種可能的實現方式中，所述云臺11包括底盤114和支架111。所述底盤114與所述行走機構90固定連接。換而言之，所述云臺11通過所述底盤114與所述行走機構90固定連接。優選的，所述底盤114與所述行走機構90之間通過緩沖機構115連接。所述緩沖機構115可以為緩沖彈簧、緩沖氣缸等。球形機器人正常工作時，所述緩沖機構115處于壓縮狀態，麥克納姆輪121與盾13之間具有一定的預緊力，使得端和麥克納姆輪121始終保持接觸，防止盾13脫離麥克納姆輪121而掉落在球形殼體50內部。

具體的，所述支架111固定于所述底盤114之遠離所述行走機構90的面上。所述支架111具有一定的高度，使得連接于所述支架111上的麥克納姆輪121能夠與盾13相抵接。優選的，所述多個麥克納姆輪121與所述盾13的相切點共面，且該面平行于水平面。這樣設置的好處在于，當頭部組件80位于球形外殼的最高點位置時，所述盾13的端面可以與水平面平行，避免盾13偏向某一側，從而造成盾13脫落異常。具體的，所述支架111上設置有多個軸承113。所述多個麥克納姆輪121通過所述軸承113轉動固定于所述支架111上。所述麥克納姆輪121還與皮帶輪122固定連接，所述驅動電機123固定于所述底盤114上，所述驅動電機123通過皮帶124與所述皮帶輪122連接，驅動電機123通過皮帶傳動的方式驅動所述麥克納姆輪121轉動?？梢岳斫獾氖?，通過皮帶輪傳動可以實現長距離的機械傳動，從而可以將驅動電機123設置在底盤114上，僅將麥克納姆輪121固定于支架111，進而降低頭部驅動組件10及整個球形機器人的重心，從而提高球形機器人的穩定性。可以理解的是，在其他實施方式中，驅動電機123還可以通過其他傳動形式驅動所述麥克納姆輪121轉動，此處不加以限定。

本發明一種具體的實施例中，所述麥克納姆輪121的數量為三個，三個所述麥克納姆輪121均勻分布于所述支架111上。優選的，所述三個麥克納姆輪121的轉軸的在所述底盤114上的投影，兩兩之間的夾角為120°。所述三個麥克納姆輪121與所述盾13的相切點共面，且該面平行于水平面。本實施例中所述每個所述驅動電機123通過皮帶傳動驅動一個所述麥克納姆輪121轉動。球形機器人的控制組件(未示出)對驅動電機123進行差速控制，從而控制三個麥克納姆輪121的轉速和轉向，多個麥克納姆輪121共同配合動作以帶動盾13繞球形殼體50的球心轉動，帶動頭部組件80繞球形殼體50的球心滑動。

可以理解的是，本發明的其他實施方式中，上述三個麥克納姆輪121還可以以其他方式排布。所述麥克納姆輪121的數量還可以為2個、4個、5個、6個……等。只要多個麥克納姆輪121的配合工作后能夠驅動所述盾13沿球形殼體50內表面上全方向滑動，即使得頭部組件80在球形殼體50外表面繞球心轉動即可。

本發明一種可能的實現方式中，所述盾13的端部上均勻設置有多個第一萬向輪133，所述第一萬向輪133與所述球形殼體50內表面滾動抵接，從而減小盾13與球形殼體50內表面相對滑動時的摩擦力阻力。優選的，所述第一萬向輪133可以為麥克納姆輪或萬向球輪等。

請參閱圖3，本發明一種可能的實現方式中，所述頭部組件80包括頭殼81和第二萬向輪82?？蛇x的，上述第二磁體可以收容于所述頭殼81中。所述第二萬向輪82的數量為多個，所述多個第二萬向輪82均勻分布于所述頭殼之靠近所述球形殼體50的端面上。所述第二萬向輪82與所述球形殼體50相抵接。所述第二萬向輪82能夠減小頭部組件80與球形殼體50相對滑動時的摩擦力。具體的，所述第二萬向輪82可以為麥克納姆輪或者萬向球輪等。

可以理解的是，對于頭部組件80而言，頭部組件80具有一定的重量，因此頭部組件80相對于所述球形殼體50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80從所述球形殼體50上脫落。經過反復多次試驗可知，當頭部組件80相對于球形殼體50頂部的擺動的角度超過45°時，頭部組件80從球形殼體50上脫落的概率會急劇上升。因此，應當保證頭部組件80相對于最高點時的偏擺角度小于或等于45°。請參閱圖4，所述頭部組件80位于所述球形殼體50的最高位置a處與所述球形殼體50的球心o的連線為第一連線，所述頭部組件80位于所述球形殼體50的極限位置處b與球形殼體50的球心o的連線為第二連線，所述第一連線和所述第二連線的夾角小于或等于45°。由此可見，所述頭部組件80的運動軌跡大致呈球冠狀。

進一步具體的，請參閱圖5所述盾13可以大致呈球冠狀。同時，為了避免盾13在極限位置時，從所述驅動機構上脫落，應當保證在極限位置時，所述盾13始終與麥克納姆輪121抵接。則應當滿足：所述球冠狀的盾13的高為h，所述球冠狀的盾13的半徑為r，則有

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。