CN105752180B - 一种家庭娱乐滚动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种家庭娱乐滚动机器人，包括由头部和身部构成的不倒翁状外壳；所述头部内设有头部舵机和头部控制电路板，所述头部舵机的机身与头部固定连接，输出轴与身部固定连接；所述身部内设有身部回转舵机、身部摆转舵机、电池组以及身部控制电路板；所述身部回转舵机的输出轴与身部的上部连接，且该输出轴的轴线与机器人的中心线重合，身部回转舵机的机身与身部摆转舵机的机身通过连接杆串联固定；所述身部摆转舵机输出轴的中心线和身部回转舵机输出轴的中心线垂直相交于身部的几何中心，身部摆转舵机输出轴通过摆杆与电池组连接。本发明的家庭娱乐滚动机器人具有结构简单、成本低廉、小巧可爱、机动灵活等优点。

Description

一种家庭娱乐滚动机器人

技术领域

本发明涉及机器人和玩具领域，具体涉及一种家庭娱乐滚动机器人。

背景技术

滚动机器人由于其运动方式的特殊性和机动性，适用于连续地面、室内外、复杂地形、行星探测等场合工作。其中，滚动机器人形状简单、容易密封、移动能量效率高，运动灵活，平稳无冲击，因而备受关注。尤其是，其新颖的运动方式极具趣味性，使得滚动机器人非常适合家庭娱乐领域。

滚动机器人可以分为反应轮式和配重块式。前者在运动时不改变系统的总重心，通过三个正交反应轮的合反扭矩驱动外壳转动，但对于驱动器和控制器有很高的性能要求，因而不适宜用于家庭娱乐领域。后者比较常见，通过一个内部运动的配重块改变系统的总质心，来驱动机器人滚动，其内部需要较大的空间用于配重块移动。

传统的滚动机器人结构复杂，体积较庞大、重量较大，成本较高昂，并且控制复杂、难以稳定，难以产品化和娱乐化。另一方面，传统的滚动机器人为了尽可能降低控制复杂度，要求内部结构尽可能对称设计，控制各部件重心位置，这使得机器人的小型化程度和机器人造型受限制。例如，现有的Sphero球形机器人，采用底部配重小车式的驱动方式，如果其外壳有任何凸起(比如用于安装某些传感器部件)，机器人无法避开滚动到凸起与地面碰撞的外壳区域，也难以保持滚动的稳定性。最后，受限于供电走线和通信信号的问题，传统滚动机器人的电子器件只能装在滚动球壳或者内部配重块上，使得安装传感器非常困难。

除了结构复杂难以产品化，大部分滚动机器人趣味性不足。运动不够灵活轻快、抗扰动能力不足、缺乏交互能力是制约其应用在家庭娱乐领域的主要因素。儿童使用者可能会拍打、推动机器人，这就需要机器人能够迅速反应，调整姿态恢复稳定。许多滚动机器人用于学术研究领域，要求使用者编程控制，机器人缺乏智能，使用复杂，不利于与人交互。。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种结构简单、成本低廉、小巧可爱、机动灵活的家庭娱乐用的滚动机器人。

本发明的目的通过以下的技术方案实现：

一种家庭娱乐滚动机器人，包括由头部和身部构成的不倒翁状外壳，所述头部和身部之间通过可绕机器人中心线转动的转动结构连接；

所述头部内设有头部舵机和头部控制电路板，所述头部舵机的机身与头部固定连接，输出轴与身部固定连接，且头部舵机的输出轴轴线与机器人的中心线重合；

所述身部内设有身部回转舵机、身部摆转舵机、电池组以及身部控制电路板；所述身部回转舵机、身部摆转舵机和电池组在身部内自上而下设置，其中，身部回转舵机的输出轴与身部的上部连接，且该输出轴的轴线与机器人的中心线重合，身部回转舵机的机身与身部摆转舵机的机身通过连接杆串联固定；所述身部摆转舵机输出轴的中心线和身部回转舵机输出轴的中心线垂直相交于身部的几何中心，身部摆转舵机输出轴通过摆杆与电池组连接，当机器人在直立状态下，所述电池组位于身部摆转舵机的下方。

本发明的一个优选方案，其中，所述头部由头上盖、头下部和脸部屏幕组成，这样便于制造和安装，所述脸部屏幕的作用在于显示不同表情，播放视频等；所述头部舵机的机身固定连接在头下部上，头下部与身部之间通过环状的滑动轴承连接，该滑动轴承构成所述的转动结构，使得头部和身部可以相对转动；

所述头部内还设有麦克风、摄像头以及手势识别传感器，它们均与头部控制电路板连接。其中，所述麦克风用于接收用户的语音控制指令，进而由头部控制电路板对机器人的动作或表情进行语音控制；所述摄像头用于拍摄照片、视频等；所述手势识别传感器用于感知用户的手势控制指令，进而由头部控制电路板对机器人的动作或表情进行手势控制。

本发明的一个优选方案，其中，所述身部由身上部和身下部组合而成，以便于制作和安装；所述身部回转舵机的输出端与身上部固定连接；所述身部内设有喇叭，用于播放音乐以及人机对话等。

本发明的一个优选方案，其中，所述身部的底部设有配重块。由于机器人外壳的中上部连接有多个舵机等部件，重心上移，通过设置所述配重块，可以将机器人的重心拉低到身部的几何中心，这样，机器人重心的变化由电池组控制在围绕身部几何中心的球面上，更有利于对机器人滚动和摆动姿态的控制。

本发明的一个优选方案，其中，所述身部的底部设有滑环，供电和通信走线的结构为：电池组通过导线将电源供给身部控制电路板；身部控制电路板上设有电源接口和信号接口，所述身部回转舵机和身部摆转舵机通过导线连接在身部控制电路板的电源接口上；身部控制电路板的电源接口和信号接口还通过转子导线与滑环的转子连接；所述滑环的定子连接有定子导线，该定子导线沿着身部的内壁向上进入头部内，所述头部和身部的对接处设有让定子导线穿过的槽口；所述头部控制电路板和身部控制电路板上均设有蓝牙模块，用于进行无线通信。

本发明的一个优选方案，其中，所述身部控制电路板设置在身部摆转舵机的机身上，该身部控制电路板上设有IMU传感器，用于反馈机器人姿态，对系统进行抗扰动控制，使机器人运动快速稳定。

本发明工作原理是：

本发明的家庭娱乐滚动机器人在动作上能够实现头部相对于身部转动、机器人整体摆动以及机器人整体滚动，这些动作通过舵机的单独工作或联合工作来实现，其中：

头部相对于身部的转动动作由头部舵机实现，头部舵机工作时，与输出轴连接的身部相对静止，而与机身固定的头部则相对身部绕机器人的中心线作转动动作；

机器人整体摆动以及机器人整体滚动两个动作由身部回转舵机和身部摆转舵机共同完成。具体地，当机器人处于直立状态时，机器人内主要的重力部件头部舵机、身部回转舵机、身部摆转舵机以及电池组排列于机器人的中心线上，此时机器人的重心位于机器人中心线上；当需要让机器人产生摆动动作时，身部摆转舵机驱动电池组摆动，使得片电池组偏离机器人的中心线，也是的机器人人的中心相对于中心线发生偏移，机器人朝重心偏移的方向摆动，电池组摆动的幅度越大，机器人摆动的幅度也越大，从而通过控制电池组的偏摆角度来控制机器人的摆动幅度；在机器人处于偏摆状态下，通过身部回转舵机驱动身部摆转舵机以及电池组绕着机器人的中心线转动，可促使机器人的重心也绕着机器人的中心线转动，从而驱动机器人作滚动动作。

本发明与现有技术相比具有以下的有益效果：

1、采用类似于不倒翁(或雪人)的造型，再结合头部转动、整体摆动以及整体滚动的动作，使得本发明的机器人可以表现出各种静态或者动态形态，动作丰富，憨态可掬，娇小可爱，有亲近感，娱乐性极强。

2、本发明中的电池组既作为供电部件，同时又作为改变机器人重心的配重部件，一物两用，简化了机器人的内部结构。

3、采用舵机作为驱动件，成本较低、安装方便、控制容易。舵机的闭环反馈控制使得机器人能实现平稳快速的运动，抗扰动能力强。

4、本发明的机器人结构简单，体积小、重量轻，便于携带，适合于娱乐。

附图说明

图1为本发明的家庭娱乐滚动机器人的一个具体实施方式的立体结构示意。

图2为图1所示家庭娱乐滚动机器人的剖视图。

具体实施方式

下面结合实施例及附图对本发明作进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

参见图1和图2，本发明的家庭娱乐滚动机器人包括由头部和身部构成的不倒翁状外壳，所述头部和身部之间通过可绕机器人中心线转动的转动结构连接。

参见图1和图2，所述头部内设有头部舵机2和头部控制电路板(图中未显示头部控制电路板)，所述头部舵机2的机身与头部固定连接，输出轴与身部固定连接，且头部舵机2的输出轴轴线与机器人的中心线重合。所述头部舵机2由头部控制电路板控制。

参见图1和图2，所述身部内设有身部回转舵机6、身部摆转舵机10、电池组11以及身部控制电路板9；所述身部回转舵机6、身部摆转舵机10和电池组11在身部内自上而下设置，其中，身部回转舵机6的输出轴与身部的上部连接，且该输出轴的轴线与机器人的中心线重合，身部回转舵机6的机身与身部摆转舵机10的机身通过连接杆7串联固定；所述身部摆转舵机10输出轴的中心线和身部回转舵机6输出轴的中心线垂直相交于身部的几何中心，身部摆转舵机10输出轴通过摆杆17与电池组11连接，当机器人在直立状态下，所述电池组11位于身部摆转舵机10的下方。所述身部回转舵机6和身部摆转舵机10由身部控制电路板9进行控制；所述电池组11中安装有电池18。

参见图1和图2，进一步地，所述头部由头上盖1、头下部22和脸部屏幕23组成，这样便于制造和安装；所述脸部屏幕23的作用在于显示不同表情，播放视频等。所述头部舵机2的机身固定连接在头下部22上，头下部22与身部之间通过环状的滑动轴承连接，该滑动轴承的外圈4与头下部22固定，该滑动轴承的内圈5与身上部21固定，该滑动轴承构成所述的转动结构，使得头部和身部可以相对转动，最大转动范围为210°。所述头部内还设有麦克风、摄像头以及手势识别传感器，它们均与头部控制电路板连接。其中，所述麦克风用于接收用户的语音控制指令，进而由头部控制电路板对机器人的动作或表情进行语音控制；所述摄像头用于拍摄照片、视频等；所述手势识别传感器用于感知用户的手势控制指令，进而由头部控制电路板对机器人的动作或表情进行手势控制。

参见图1和图2，进一步地，所述身部由身上部21和身下部23组合而成，以便于制作和安装；所述身部回转舵机6的输出端与身上部21固定连接；所述身部内设有两个喇叭，两个喇叭对称安装在身上部21的两边，用于播放语音。

参见图1和图2，所述身部的底部设有配重块12。由于机器人外壳的中上部连接有多个舵机等部件，重心上移，通过设置所述配重块12，可以将机器人的重心拉低到身部的几何中心，这样，机器人重心的变化由电池组11控制在围绕身部几何中心的球面上，更有利于对机器人滚动和摆动姿态的控制。

参见图1和图2，所述身部的底部设有滑环15，供电和通信走线的结构为：电池组11通过导线19将电源供给身部控制电路板9，该身部控制电路板9上设有电源接口和信号接口，所述身部回转舵机6和身部摆转舵机10与身部控制电路板9通过导线连接于身部控制电路板9的电源接口以获得电源；身部控制电路板9的电源接口和信号接口还通过转子导线8与滑环15的转子14连接；所述滑环15的定子连接有定子导线3，该定子导线3沿着身部的内壁向上进入头部内，所述头部和身部的对接处设有让定子导线3穿过的槽口，该槽口为定子导线3在头部和身部相对转动时提供活动空间，定子导线3中的电源导线和通信导线分别与头部舵机2以及头部控制电路板连接。所述头部控制电路板和身部控制电路板上均设有蓝牙模块，使得头部控制电路板可以通过无线传输的方式将控制信号发送给身部控制电路9，例如，(当用户通过手势指令或者声音指令给机器人下达一些动作指令时，如躺下滚动、摇晃等，则需要头部控制电路板通过头部的相应的传感器接收用户信号，将其转换成相应的信号通过蓝牙发送给身部控制电路板9，由身部控制电路板9控制相应的舵机实现各种动作。通过上述结构，在确保身部内的电池组件11能够实现360°旋转的情况下，也实现了头部和身部内各电子电器部件的电源共享以及两者之间的通信传输。

参见图1和图2，所述身部控制电路板9设置在身部摆转舵机10的机身上，该身部控制电路板9上设有IMU传感器，用于反馈机器人姿态，对系统进行抗扰动控制，使机器人运动快速稳定。

参见图1和图2，所述配重块12下面绕有感应线圈13，用于进行无线充电，该感应线圈13外设有隔磁片16，用于确保充电的效率，减少电能损耗。

参见图1和图2，本发明工作原理是：

本发明的家庭娱乐滚动机器人在动作上能够实现头部相对于身部转动、机器人整体摆动以及机器人整体滚动，这些动作通过舵机的单独工作或联合工作来实现，其中：

头部相对于身部的转动动作由头部舵机2实现，头部舵机2工作时，与输出轴连接的身部相对静止，而与机身固定的头部则相对身部绕机器人的中心线作转动动作；

机器人整体摆动以及机器人整体滚动两个动作由身部回转舵机6和身部摆转舵机10共同完成。具体地，当机器人处于直立状态时，机器人内主要的重力部件头部舵机2、身部回转舵机6、身部摆转舵机10以及电池组11排列于机器人的中心线上，此时机器人的重心位于机器人中心线上；当需要让机器人产生摆动动作时，身部摆转舵机10驱动电池组11摆动，使得片电池组11偏离机器人的中心线，也是的机器人人的中心相对于中心线发生偏移，机器人朝重心偏移的方向摆动，电池组11摆动的幅度越大，机器人摆动的幅度也越大，从而通过控制电池组11的偏摆角度来控制机器人的摆动幅度；在机器人处于偏摆状态下，通过身部回转舵机6驱动身部摆转舵机10以及电池组11绕着机器人的中心线转动，可促使机器人的重心也绕着机器人的中心线转动，从而驱动机器人作滚动动作。

上述为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，包括由头部和身部构成的不倒翁状外壳，所述头部和身部之间通过可绕机器人中心线转动的转动结构连接；

所述头部内设有头部舵机和头部控制电路板，所述头部舵机的机身与头部固定连接，输出轴与身部固定连接，且头部舵机的输出轴轴线与机器人的中心线重合；

所述身部内设有身部回转舵机、身部摆转舵机、电池组以及身部控制电路板；所述身部回转舵机、身部摆转舵机和电池组在身部内自上而下设置，其中，身部回转舵机的输出轴与身部的上部连接，且该输出轴的轴线与机器人的中心线重合，身部回转舵机的机身与身部摆转舵机的机身通过连接杆串联固定；所述身部摆转舵机输出轴的中心线和身部回转舵机输出轴的中心线垂直相交于身部的几何中心，身部摆转舵机输出轴通过摆杆与电池组连接，当机器人在直立状态下，所述电池组位于身部摆转舵机的下方。

2.根据权利要求1所述的家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，所述头部由头上盖、头下部和脸部屏幕组成；所述头部舵机的机身固定连接在头下部上，头下部与身部之间通过环状的滑动轴承连接，该滑动轴承构成所述的转动结构；

所述头部内还设有麦克风、摄像头以及手势识别传感器，它们均与头部控制电路板连接。

3.根据权利要求1或2所述的家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，所述身部由身上部和身下部组合而成；所述身部回转舵机的输出端与身上部固定连接；所述身部内设有喇叭。

4.根据权利要求3所述的家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，所述身部的底部设有配重块。

5.根据权利要求3所述的家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，所述身部的底部设有滑环，供电和通信走线的结构为：电池组通过导线将电源供给身部控制电路板；身部控制电路板上设有电源接口和信号接口，所述身部回转舵机和身部摆转舵机通过导线连接在身部控制电路板的电源接口上；身部控制电路板的电源接口和信号接口还通过转子导线与滑环的转子连接；所述滑环的定子连接有定子导线，该定子导线沿着身部的内壁向上进入头部内，所述头部和身部的对接处设有让定子导线穿过的槽口；所述头部控制电路板和身部控制电路板上均设有蓝牙模块，用于进行无线通信。

6.根据权利要求1所述的家庭娱乐滚动机器人，其特征在于，所述身部控制电路板设置在身部摆转舵机的机身上，该身部控制电路板上设有IMU传感器。