CN107128383A - 球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公布了一种球形机器人，所述球形机器人包括头部和球体，所述球体包括球壳及位于所述球壳内的行走驱动组件、头部连接机构及控制力矩陀螺，所述头部连接机构包括相互连接的底盘和盾，所述盾抵接所述壳体的内壁，并磁性连接所述头部以使所述头部吸附于所述球壳的外壁，所述行走驱动组件设置于所述底盘上并接触所述球壳内壁以驱动所述球壳转动，所述控制力矩陀螺位于所述底盘与所述盾之间，用于平衡所述球形机器人的姿态。球形机器人整体结构简单，生产成本低，功能丰富，智能化高，满足多种使用环境的需求。

Description

球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其是涉及一种球形机器人。

背景技术

球形机器人是指利用球体的滚动实现运动的机器人，可以实现全方位运动，与地面是单点接触，摩擦阻力小，能量利用效率高，并且具有不倒翁特性，可以避免常规的机器人容易出现的倾倒失稳现象。机器人的重要部件均包容在球体内部，受到球体外壳良好的保护，不容易因破坏而失效。采取合适的密封措施，可以使球形机器人的外壳具备防水能力，进而在较为恶劣的天气条件下使用，具有全天候的适应能力。

现有技术中，球形机器人结构复杂，生产成本高，并且球形机器人的功能少，智能化低，无法满足多种使用环境的需求。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种球形机器人，用以解决现有技术中球形机器人结构复杂，生产成本高，并且球形机器人的功能少，智能化低，无法满足多种使用环境的需求的问题。

为解决上述技术问题，本发明提供一种球形机器人，所述球形机器人包括头部和球体，所述球体包括球壳及位于所述球壳内的行走驱动组件、头部连接机构及控制力矩陀螺，所述头部连接机构包括相互连接的底盘和盾，所述盾抵接所述壳体的内壁，并磁性连接所述头部以使所述头部吸附于所述球壳的外壁，所述行走驱动组件设置于所述底盘上并接触所述球壳内壁以驱动所述球壳转动，所述控制力矩陀螺位于所述底盘与所述盾之间，用于平衡所述球形机器人的姿态。

进一步，所述行走驱动组件包括麦克纳姆轮、驱动电机、传动机构及电源，所述底盘包括相对设置的第一侧和第二侧，所述电源固定于所述第一侧，并电连接所述驱动电机，所述驱动电机固定安装于所述第一侧，所述麦克纳姆轮安装于所述第二侧，并通过所述传动机构连接所述驱动电机，所述麦克纳姆轮接触所述球壳内壁并驱动所述球壳转动。

进一步，所述行走驱动组件还包括弹性件，所述弹性件连接于所述底盘与所述麦克纳姆轮之间。

进一步，所述行走驱动组件还包括滚轮支架，所述滚轮支架包括相互滑动连接的滑块件与导轨件，所述滑块件固定于所述底盘，所述导轨件连接所述麦克纳姆轮及所述弹性件。

进一步，所述驱动电机与所述麦克纳姆轮通过所述传动机构连接形成驱动单元，所述驱动单元的数量为偶数个，并且所述驱动单元对称分布于所述底盘的边缘。

进一步，所述底盘和所述盾通过直杆固定连接，所述头部连接机构还包括套设于所述直杆上的固定板，所述固定板位于所述底盘与所述盾之间，并固定连接所述盾，所述底盘与所述固定板之间还通过绳索连接。

进一步，所述控制力矩陀螺的数量为偶数个，并对称分布于所述直杆周围。

进一步，所述控制力矩陀螺的数量为两个，两个所述控制力矩陀螺之间设有反向同步齿轮组，以带动两个所述控制力矩陀螺反向同步偏摆。

进一步，所述控制力矩陀螺包括转子、转子框架及驱动所述转子绕所述转子的中心轴转动的自转电机，所述转子通过所述转子框架安装于底盘上。

进一步，所述头部包括基座、托盘支架、功能器件及传动齿轮组，所述基座磁性连接所述球体，所述传动齿轮组安装于所述基座上，所述托盘支架位于所述基座上并通过所述传动齿轮组与所述基座转动连接，所述功能器件固定于所述托盘支架上，所述功能器件用于识别工作环境，所述传动齿轮组驱动所述托盘支架及所述功能器件相对所述基座转动。

本发明的有益效果如下：行走驱动组件驱动通过摩擦力带动球壳滚动，球壳外壁接触地面并通过摩擦力实现球形机器人的行走功能，驱动效率高，且可实现多方向运动，控制力矩陀螺平衡球形机器人的姿态，增强球形机器人的运动稳定性，通过头部连接机构连接头部，头部搭载功能器件以拓展球形机器人的功能，球形机器人整体结构简单，生产成本低，功能丰富，智能化高，满足多种使用环境的需求。

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明显变形方式。

图1为本发明实施例提供的球形机器人的结构示意图。

图2和图3为本发明实施例提供的球形机器人的球体内部结构示意图。

图4为本发明实施例提供的球形机器人的控制力矩陀螺的结构示意图。

图5和图6为本发明实施例提供的球形机器人的行走驱动组件的结构示意图。

图7为本发明实施例提供的球形机器人的行走方向示意图。

图8和图9为本发明实施例提供的球形机器人的头部连接机构的结构示意图。

图10为本发明实施例提供的球形机器人的第一固定件的示意图。

图11为本发明实施例提供的球形机器人的第二固定件的示意图。

图12为本发明实施例提供的机器人头部整体结构示意图。

图13和图14为本发明实施例提供的机器人头部的内部结构示意图。

图15为本发明实施例提供的机器人头部的截面示意图。

图16为本发明实施例提供的机器人头部的托盘支架与上盖的连接处截面图。

图17为本发明实施例提供的机器人头部的上盖与基座的止口连接处截面示意图。

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前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请一并参阅图1、图2及图3，球形机器人包括头部2和球体1，球体1包括球壳10及位于球壳10内的行走驱动组件12、头部连接机构14及控制力矩陀螺16，头部连接机构14包括相互连接的底盘142和盾144，盾144抵接壳体的内壁102，并磁性连接头部2以使头部2吸附于球壳10的外壁104，行走驱动组件12设置于底盘142上并接触球壳10内壁102以驱动球壳10转动，控制力矩陀螺16安装于底盘142上，用于平衡球形机器人的姿态。结合图4，本实施例中，控制力矩陀螺16包括转子160、转子框架162及驱动转子160绕其中心轴转动的自转电机164，转子160通过转子框架162安装于底盘142上。具体的，转子框架162包括摆动支架162a与转子固定框架162b，摆动支架162a固定安装于底盘142，并连接转子固定框架162b的摆动转轴，转子固定框架162b通过连接转子160的转动轴使转子160可转动的安装于转子固定框架162b上，转子160可以与转子固定框架162b一起以转子固定框架162b的摆动转轴为转轴摆动。进一步的，摆动支架162a上设有偏摆电机162c以控制转子160以转子固定框架162b的摆动转轴为转轴摆动。一种较佳的实施方式中，转子框架162为碳素纤维材料，保证转子框架162一定的强度的同时降低了球形机器人整体的重量。

在遇到行走障碍，且行走驱动组件12的驱动轮(本实施例中为麦克纳姆轮120)的驱动力矩足以使得球形机器人越障时，控制力矩陀螺16可通过自由偏摆以产生进动力矩从而稳定球形机器人的底盘142，增加驱动轮与球壳10之间的传动效率，进而使得驱动轮的驱动力矩全部传递给球壳10，从而使球形机器人越过障碍。当驱动轮的驱动力矩不足以越障时，球形机器人通过控制偏摆电机162c带动控制力矩陀螺16以大于自由偏摆时的角速度偏摆，以在短时间内获得较大的进动力矩，该进动力矩与驱动轮的驱动力矩叠加以实现越障。

行走驱动组件12通过摩擦力带动球壳10滚动，球壳10外壁104接触地面并通过摩擦力实现球形机器人的行走功能，驱动效率高，且可实现多方向运动，控制力矩陀螺16平衡球形机器人的姿态，增强球形机器人的运动稳定性，通过头部连接机构14连接头部2，头部2搭载功能器件以拓展球形机器人的功能，球形机器人整体结构简单，生产成本低，功能丰富，智能化高，满足多种使用环境的需求。

结合图5和图6，行走驱动组件12位于球形机器人的球壳10内，并通过滚动摩擦的方式驱动球壳10转动。行走驱动组件12还包括麦克纳姆轮120、驱动电机122、传动机构124及电源126。一种较佳的实施方式中，底盘142使用碳素纤维材料制成，碳素纤维材料强度大，不易折断，同时具有重量小的特点，有利于减小行走驱动组件12乃至球形机器人的重量。本实施例中，底盘142为中心对称结构，一种实施方式中，底盘142为圆盘状。

本实施例中，底盘142包括相对设置的第一侧142a和第二侧142b，电源126固定于第一侧142a，并电连接驱动电机122，具体的，电源126安装于第一侧142a的中心位置，以使行走驱动组件12的重心集中于行走驱动组件12的中心，避免重心不均导致球形机器人运动不稳定。驱动电机122固定安装于第一侧142a，麦克纳姆轮120安装于第二侧142b，并通过传动机构124连接驱动电机122，麦克纳姆轮120接触球壳10内壁102并驱动球壳10转动。驱动电机122与电源126安装于底盘142的同一侧，即第一侧142a，第一侧142a为球形机器人靠近地面的一侧，有利于降低球形机器人的重心并稳定其重心。麦克纳姆轮120位于底盘142的第二侧142b，即背离电源126一侧，使麦克纳姆轮120有更大的空间利于拆装，有利于行走驱动组件12的装配与后期维护。

麦克纳姆轮120抵触球壳10，驱动电机122通过传动机构124驱动麦克纳姆轮120滚动，麦克纳姆轮120接触球形机器人的球壳10内壁102，并通过摩擦力带动球壳10滚动，球壳10外壁104接触地面并通过摩擦力实现球形机器人的行走功能，驱动效率高，麦克纳姆轮120与电源126位于底盘142的相对的两侧，易于装配或拆卸，进一步的，依靠各麦克纳姆轮120的之间的差速可以实现球形机器人的转弯等动作，提高了球形机器人的智能化，应用场景更丰富。

3403本实施例中，行走驱动组件12还包括弹性件128，弹性件128连接于底盘142与麦克纳姆轮120之间，一种较佳的实施方式中，弹性件128为弹簧。进一步的，行走驱动组件12还包括滚轮支架322，滚轮支架322包括相互滑动连接的导轨件322a与滑块件322b，导轨件322a固定于底盘142，滑块件322b连接麦克纳姆轮120及弹性件128。一种较佳的实施方式中，导轨件322a的导轨截面为燕尾形。具体的，弹性件128一端通过紧固件固定于底盘142上，另一端固定于滑块件322b上，滑块件322b滑动连接导轨件322a，并连接麦克纳姆轮120，导轨件322a通过紧固件固定于底盘142上。麦克纳姆轮120通过滑块件322b、导轨件322a及弹性件128连接于底盘142上，并可以在底盘142上相对滑动，一种较佳的实施方式中，弹性件128的弹性伸缩方向为底盘142的径向方向，从而使麦克纳姆轮120可以在底盘142的径向方向上移动，当球形机器人依靠行走驱动组件12行走颠簸时，麦克纳姆轮120可以在底盘142的径向方向移动，具有一定的减震功能，同时，也可以为麦克纳姆轮120提供径向补偿，使麦克纳姆轮120始终紧密接触球壳10的内壁102，提高麦克纳姆轮120对球壳10内壁102施加的正压力，从而提高麦克纳姆轮120与球壳10之间的摩擦力，提高行走驱动的效率。

进一步的，滚轮支架322还包括一对对称的转轴支撑架322c，转轴支撑架322c包括固定端与由固定端向背离底盘142的中心方向弯折延伸的转轴连接端，固定端固定连接滑块件322b及弹性件128，转轴连接端连接麦克纳姆轮120的转轴。具体的，转轴支撑架322c为弯曲的弧形，转轴连接端相对固定端更远离底盘142的中心，麦克纳姆轮120伸出底盘142，增加麦克纳姆轮120与球壳10内壁102的接触，通过增大麦克纳姆轮120之间的距离增大麦克纳姆轮120对球壳10内壁102的正压力，从而提高麦克纳姆轮120与球壳10之间的摩擦力，提高行走驱动的效率。

本实施例中，驱动电机122与麦克纳姆轮120通过传动机构124连接形成驱动单元，驱动单元的数量为偶数个，并且驱动单元对称分布于底盘142的边缘。驱动单元位于底盘142的边缘有利于麦克纳姆轮120接触球壳10内壁102而不被底盘142或安装于底盘142上的其他器件干涉，例如电源126等。进一步的，一对对称分布的驱动单元的麦克纳姆轮120的转轴排列方向相同。具体的，一对对称分布的驱动单元控制球壳10向一个方向旋转，即球形机器人向一个方向行走，至少两对对称分布的驱动单元可以球形机器人任意方向行走。结合图7，一种较佳的实施方式中，驱动单元的数量为四个，即两对对称分布的驱动单元，并且一对对称的驱动单元的连线与另一对对称的驱动单元的连线垂直。第一驱动单元320a和第二驱动单元320b控制球形机器人左右方向移动，第三驱动单元320c和第四驱动单元320d控制球形机器人前后方向移动，本实施例分别控制同向的第一驱动动单元320a和第二驱动单元320b的麦克纳姆轮120转速与同向的第三驱动单元320c和第四驱动单元320d的麦克纳姆轮120的不同转速，可实现机器人任意方向行走。

本实施例中，传动机构124为皮带传动机构124，皮带传动机构124的皮带主动轮连接驱动电机122，皮带从动轮连接麦克纳姆轮120的转轴，将驱动电机122的旋转传递到麦克纳姆轮120的转轴，从而驱动麦克纳姆轮120转动。进一步的，传动机构124还包括张紧轮1240，张紧轮1240设于皮带主动轮与皮带从动轮之间，用于张紧皮带，增大皮带与皮带主动轮和皮带从动轮之间的摩擦力，防止打滑，增大传动效率。本实施例中，底盘142设有通孔，用于穿过皮带。

驱动电机122通过传动机构124驱动麦克纳姆轮120滚动，麦克纳姆轮120接触球形机器人的球壳10内壁102，并通过摩擦力带动球壳10滚动，球壳10外壁104接触地面并通过摩擦力实现球形机器人的行走功能，驱动效率高，麦克纳姆轮120与电源126位于底盘142的相对的两侧，易于装配或拆卸，进一步的，依靠各麦克纳姆轮120的之间的差速可以实现球形机器人的转弯等动作，提高了球形机器人的智能化，应用场景更丰富。

请一并参阅图8和图9，头部连接机构14还包括直杆146，直杆146固定连接于底盘142与盾144之间，具体的，直杆146位于底盘142的第二侧142b，并将盾144固定于底盘142的第二侧142b。盾144用于吸附头部2，通过直杆146可以将盾144固定在底盘142上，由于底盘142稳定的位于球壳10靠近地面的部分，底盘142使盾144也能保持稳定，从而稳定头部2。结合3202盾144的面对头部2的一侧设有多个磁性装置2002，磁性装置2002均匀分布，并且盾144上的每一个磁性装置2002对应头部2的一个磁性装置2002，以使盾144与头部2之间的磁吸力均匀，头部2稳定的位于球壳10的外壁104上而不易脱落。

通过底盘142和直杆146稳定盾144，盾144磁性连接头部2，从而使装配有多种功能器件的头部2平稳的吸附于球体1的球壳10上，丰富了球形机器人的功能，球形机器人的智能化高，能够满足多种使用环境的需求。

结合图10，本实施例中，底盘142与直杆通过第一固定件连接342，具体的，第一固定件包括底盘固定部342a与直杆固定部342b，底盘固定部342a通过螺栓连接固定在底盘142上，一种较佳的实施方式中，底盘固定部342a固定在底盘142的中心位置。直杆固定部342b包括一对弹性侧壁，螺栓穿过弹性侧壁与直杆的一端并通过弹性侧壁夹紧直杆，从而使直杆固定于底盘142上。底盘142与直杆固定稳固，不易发生相对运动。

结合图11，本实施例中，头部连接机构14还包括套设于直杆上的固定板148，固定板148位于底盘142与盾144之间，并固定连接盾144，底盘142与固定板148之间还通过绳索346连接。一种较佳的实施方式中，固定板148为圆盘状，并且固定板148的中心处固定于直杆上。具体的，固定板148通过第二固定件344固定于直杆上，第二固定件344包括直杆固定端344a、盾固定端344b及位于直杆固定端344a与盾固定端344b之间的固定板固定部344c，直杆固定端344a套设于直杆的一端，螺栓穿过直杆固定端344a与直杆将直杆固定于直杆固定端344a，盾固定端344b用于固定盾144，固定板固定部344c为圆盘状，且均匀分布有多个通孔，固定板固定部344c与固定板148通过螺栓连接固定，从而使直杆、固定板148及盾144通过第二固定件344固定在一起。进一步的，固定板148为碳素纤维材料制成，具有足够的强度的同时，重量小，以降低球形机器人的重量。

固定板148板的边缘分布有多个固定孔，底盘142的边缘亦对应设有多个固定孔，固定板148和底盘142的固定孔通过绳索346连接，并将绳索346绷紧，绷紧的绳索346辅助固定直杆于底盘142上，是直杆在受到一定的作用力的情况下依然可以稳定的固定在底盘142上。一种较佳的实施方式中，绳索346为钢丝绳。进一步的，绳索346的数量为偶数个，并且对称连接固定板148的边缘与底盘142的边缘。一种较佳的实施方式中，绳索346的数量为四个，且均匀、对称的分布在底盘142与固定板148之间，当然，其他实施方式中，绳索346的数量也可以大于四个，绳索346的数量越多，直杆在底盘142上的固定越稳固。

通过底盘142和直杆146稳定盾144，盾144磁性连接头部2，从而使装配有多种功能器件的头部2平稳的吸附于球体1的球壳10上，丰富了球形机器人的功能，球形机器人的智能化高，能够满足多种使用环境的需求。

本实施例中，盾144的面对头部2的一侧还设有万向滚轮2004，万向滚轮2004抵触球壳10的内壁102，用于减小所述盾144与所述球壳10内壁102的摩擦力。

请一并参阅图12、图13、图14及图15，机器人头部2包括基座200、托盘支架202、功能器件204及传动齿轮组206。基座200磁性连接球体1，具体的，基座200上设有多个磁性装置2002，磁性装置2002均匀分布，并且基座200上的磁性装置2002与头部连接机构14的盾144上的磁性装置2002一一对应，以使基座200与盾144均匀吸附，避免头部2脱离球体1。一种较佳的实施方式中，磁性装置2002使用永磁体或电磁体。进一步的，基座200接触球体1的一侧还设置有多个均匀分布的万向滚轮2004，万向滚轮2004与球体1滚动接触，以降低头部连接机构14在驱动头部2在球体1表面运动时头部2与球体1表面的摩擦力，降低能量损耗。

进一步的，传动齿轮组206安装于基座200上，传动齿轮组206包括相互啮合的主动轮2062与从动轮2064，主动轮2062与驱动主动轮2062转动的头部驱动电机2060通过基座200支架安装在基座200上，从动轮2064也安装在基座200支架上，头部驱动电机2060驱动主动轮2062旋转从而带动从动轮2064及固定在从动轮2064上的装置旋转。一种较佳的实施方式中，从动轮2064的旋转轴为基座200的中心线。托盘支架202固定于传动齿轮组206的从动轮2064，并通过从动轮2064与基座200转动连接，具体的，托盘支架202设有多个固定孔用于固定安装功能器件204，为了保证托盘支架202具有足够的强度承载各功能器件204，托盘支架202采用强度高的金属材料制作，同时对托盘支架202做镂空设计，以减小托盘支架202的重量，从而减小旋转的负载。一种较佳的实施方式中，托盘支架202的中心轴与从动轮2064的旋转轴固定，以使托盘支架202与从动轮2064的转动形式相同。功能器件204固定于托盘支架202上，传动齿轮组206的主动轮2062转动连接基座200并驱动托盘支架202及功能器件204相对基座200转动，磁性装置2002、万向滚轮2004等器件连接基座200且相对球体1静止，即仅使需要相对球体1转动以实现人机交互功能的功能器件204旋转，其他器件不旋转，机器人头部2转动的负载小，电量消耗小，增强了球形机器人的续航能力，并且降低了头部2的转动延迟，转动效率较高，球形机器人智能化较高，用户体验好，满足家庭机器人的使用要求。

本实施例中，机器人头部2还包括与基座200转动连接的上盖208，上盖208固定连接托盘支架202，上盖208与基座200形成封闭的壳体并容纳托盘支架202、功能器件204及传动齿轮组206，以保护头部2内的各机构和器件，使球形机器人具有一定的防风、防水、防尘能力，提高了球形机器人的环境适应能力。进一步的，上盖208与托盘支架202固定连接，从而能够与托盘支架202一起相对基座200旋转，同时，上盖208上开设有透明的视窗口，用于配合头部2内的功能器件204进行人机交流，上盖208与功能器件204一同相对基座200旋转，即上盖208与功能器件204始终保持相对静止，上盖208不影响功能器件204的正常工作。

请参阅图16，图16为本发明实施例提供的托盘支架与上盖的连接处截面图，如图所示，托盘支架202设有定位凹槽2022，上盖208对应定位凹槽2022设有定位凸起2082，定位凹槽2022与定位凸起2082配合以固定连接托盘支架202和上盖208。进一步的，定位凸起2082与定位凹槽2022过盈配合，用于降低托盘支架202带动上盖208转动时，上盖208的转动相对托盘支架202转动的延迟，提高上盖208转动的反应速度。

本实施例中，定位凹槽2022的截面为矩形，以降低托盘支架202带动上盖208转动时，上盖208的转动相对托盘支架202转动的延迟。进一步的，上盖208为聚氨酯发泡材料，聚氨酯(Polyurethane，PU)重量轻，有利于减小头部2整体的重量，并且塑料材料价格低廉，以加工成型，降低了生产成本。一种较佳的实施方式中，托盘支架202与上盖208在定位凸起2082与定位凹槽2022处通过螺钉连接固定，定位凸起2082内设有连接孔，并且连接孔内设有热熔螺母2024，热熔螺母2024与塑料材料的上盖208通过加热后牢固的连接在一起，相比将连接孔制作成螺纹孔，热熔螺母2024不易因为多次拆装螺钉而伤害塑料材料的上盖208。

本实施例中，上盖208与基座200通过止口连接，止口设计可以紧密连接上盖208与基座200，提高上盖208与基座200形成的头部2壳体的封闭效果，更好的防风、防水、防尘，利于球形机器人应用于不同的工作环境中，同时又不影响上盖208与基座200的相对转动。结合图17，图17为本发明实施例提供的上盖与基座的止口连接处截面示意图，在止口连接处，凸止口2088与凹止口2008之间设有聚四氟乙烯层2000，聚四氟乙烯(Polytetrafluoroethylene，PTFE)，一般称作“不粘涂层”或“易清洁物料，具有抗酸抗碱、抗各种有机溶剂的特点，几乎不溶于所有的溶剂。同时，聚四氟乙烯具有耐高温的特点，它的摩擦系数极低，可作润滑作用。本实施例中，聚四氟乙烯层2000用于减小止口连接处上盖208与基座200之间相对转动的摩擦力，使上盖208与基座200能够更灵活的相对转动。

本实施例中，机器人头部2还包括供电器件和导电滑环210，供电器件固定于基座200内，用于向头部2内的电机和功能器件204供电，导电滑环210位于从动轮2064的转动轴上，并电连接供电器件与功能器件204，具体的，从动轮2064的中心轴位置设有通孔，用于安装导电滑环210，导电滑环210避免托盘支架202上的功能器件204相对基座200旋转时，连接供电器件与连接功能器件204的导线缠绕打结。

本实施例中，基座200使用聚氨酯发泡材料和塑料材料的组合，一种较佳的实施方式中，塑料材料采用聚碳酸酯(Polycarbonate，PC)。具体的，基座200用于连接传动齿轮组206等器件的部分使用聚碳酸酯材料，其他部分使用聚氨酯发泡材料，既保证了连接的牢固性，又能减轻机器人头部1重量。

本实施例中，功能器件204包括摄像头、激光雷达等，用于探测工作环境、拍摄照片等功能，使球形机器人能够实现更多的人机交流功能及球形机器人对环境的适应功能。

基座200与托盘支架202转动连接，功能器件204固定于托盘支架202上并通过头部2内置的传动齿轮组206驱动托盘支架202相对基座200旋转，磁性装置2002、万向滚轮2004等器件连接基座200且相对球体1静止，即仅使需要相对球体1转动以实现人机交互功能的功能器件204旋转，其他器件不旋转，机器人头部2转动的负载小，电量消耗小，增强了球形机器人的续航能力，并且降低了头部2的转动延迟，转动效率较高，球形机器人智能化较高，用户体验好，满足家庭机器人的使用要求。

本实施例中，控制力矩陀螺16的数量为偶数个，并对称分布于直杆146周围。一种较佳的实施方式中，控制力矩陀螺16的数量为两个，两个控制力矩陀螺16的自转方向相反，偏摆方向也相反，以相互协同作用稳定球形机器人的姿态。一种较佳的实施方式中，控制力矩陀螺16的数量为两个，两个控制力矩陀螺16之间设有反向同步齿轮组，以带动两个控制力矩陀螺16反向同步偏摆。反向同步齿轮组确保控制力矩陀螺16偏摆方向反向同步，使得两个控制力矩陀螺16均产生进动力矩，球壳10借助该进动力矩越障和爬坡，从而提高球形机器人的越障爬坡及自动调整姿态平衡。

行走驱动组件12驱动通过摩擦力带动球壳10滚动，球壳10外壁104接触地面并通过摩擦力实现球形机器人的行走功能，驱动效率高，且可实现多方向运动，控制力矩陀螺16平衡球形机器人的姿态，增强球形机器人的运动稳定性，通过头部连接机构14连接头部2，头部2搭载功能器件以拓展球形机器人的功能，球形机器人整体结构简单，生产成本低，功能丰富，智能化高，满足多种使用环境的需求。

以上所揭露的仅为本发明几种较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本发明权利要求所作的等同变化，仍属于发明所涵盖的范围。

Claims (10)

1.一种球形机器人，其特征在于，所述球形机器人包括头部和球体，所述球体包括球壳及位于所述球壳内的行走驱动组件、头部连接机构及控制力矩陀螺，所述头部连接机构包括相互连接的底盘和盾，所述盾抵接所述壳体的内壁，并磁性连接所述头部以使所述头部吸附于所述球壳的外壁，所述行走驱动组件设置于所述底盘上并接触所述球壳内壁以驱动所述球壳转动，所述控制力矩陀螺位于所述底盘与所述盾之间，用于平衡所述球形机器人的姿态。

2.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述行走驱动组件包括麦克纳姆轮、驱动电机、传动机构及电源，所述底盘包括相对设置的第一侧和第二侧，所述电源固定于所述第一侧，并电连接所述驱动电机，所述驱动电机固定安装于所述第一侧，所述麦克纳姆轮安装于所述第二侧，并通过所述传动机构连接所述驱动电机，所述麦克纳姆轮接触所述球壳内壁并驱动所述球壳转动。

3.根据权利要求2所述的球形机器人，其特征在于，所述行走驱动组件还包括弹性件，所述弹性件连接于所述底盘与所述麦克纳姆轮之间。

4.根据权利要求3所述的球形机器人，其特征在于，所述行走驱动组件还包括滚轮支架，所述滚轮支架包括相互滑动连接的滑块件与导轨件，所述滑块件固定于所述底盘，所述导轨件连接所述麦克纳姆轮及所述弹性件。

5.根据权利要求2所述的球形机器人，其特征在于，所述驱动电机与所述麦克纳姆轮通过所述传动机构连接形成驱动单元，所述驱动单元的数量为偶数个，并且所述驱动单元对称分布于所述底盘的边缘。

6.根据权利要求4所述的球形机器人，其特征在于，所述底盘和所述盾通过直杆固定连接，所述头部连接机构还包括套设于所述直杆上的固定板，所述固定板位于所述底盘与所述盾之间，并固定连接所述盾，所述底盘与所述固定板之间还通过绳索连接。

7.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述控制力矩陀螺的数量为偶数个，并对称分布于所述直杆周围。

8.根据权利要求7所述的球形机器人，其特征在于，所述控制力矩陀螺的数量为两个，两个所述控制力矩陀螺之间设有反向同步齿轮组，以带动两个所述控制力矩陀螺反向同步偏摆。

9.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述控制力矩陀螺包括转子、转子框架及驱动所述转子绕所述转子的中心轴转动的自转电机，所述转子通过所述转子框架安装于底盘上。

10.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述头部包括基座、托盘支架、功能器件及传动齿轮组，所述基座磁性连接所述球体，所述传动齿轮组安装于所述基座上，所述托盘支架位于所述基座上并通过所述传动齿轮组与所述基座转动连接，所述功能器件固定于所述托盘支架上，所述功能器件用于识别工作环境，所述传动齿轮组驱动所述托盘支架及所述功能器件相对所述基座转动。