CN107215403B - 球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种球形机器人，包括头部组件和可相对于所述头部组件转动的球形本体；所述球形本体包括球壳、设于所述球壳中心区域的连接部、连接于所述球壳与所述连接部之间的行走驱动机构；所述行走驱动机构包括可绕所述连接部摆动的驱动臂，所述驱动臂一端设有与所述球壳接触的驱动轮，通过所述驱动轮与所述球壳之间的摩擦力驱动所述球形机器人行走，通过改变所述驱动臂相对于所述连接部的摆动位置，以改变所述球形机器人的行走速度；所述连接部之远离所述行走驱动机构的一侧设有头部驱动组件，所述头部驱动组件通过磁吸力带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。本发明提高了球形机器人的越障爬坡能力，且实现无级变速。

Description

球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人领域，具体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。进一步的，球形机器人一般还包括设于球体外部的头部，头部搭载功能器件实现摄像头等功能器件以实现智能化的人机交流功能，同时提高了球形机器人给用户的亲和感，使其可以作为家庭机器人使用

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，而且越障爬坡能力不强，这使得球形机器人在人们的生活领域(如具有大于30度的斜坡或楼梯等障碍)或某些凹凸不平的场地的应用受到极大的限制。

因此，如何提高球形机器人的越障爬坡能力，以增加球形机器人的应用场景和运动稳定性，为业界人士重点研究课题。

发明内容

针对以上的问题，本发明的目的是提供一种球形机器人，能提高球形机器人的越障爬坡能力，以增加球形机器人的应用场景和运动稳定性。

为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种球形机器人，包括头部组件和可相对于所述头部组件转动的球形本体；所述球形本体包括球壳、设于所述球壳中心区域的连接部、连接于所述球壳与所述连接部之间的行走驱动机构；所述行走驱动机构包括可绕所述连接部摆动的驱动臂，所述驱动臂一端设有与所述球壳接触的驱动轮，通过所述驱动轮与所述球壳之间的摩擦力驱动 所述球形机器人行走，通过改变所述驱动臂相对于所述连接部的摆动位置，以改变所述球形机器人的行走速度；所述连接部之远离所述行走驱动机构的一侧设有头部驱动组件，所述头部驱动组件包括固接于所述连接部的旋转基座、设于所述旋转基座上且以所述旋转基座为支点摆动的摇杆机构，所述摇杆机构在绕所述旋转基座摆动过程中，通过磁吸力带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

一种实施方式中，所述球壳外设有多个凸点，所述多个凸点相间隔地分布于所述球壳外壁，所述多个凸点之间形成凹陷，所述凹陷为所述球形机器人越障时提供支撑点及防止所述球壳打滑。

一种实施方式中，所述球形本体具有上半球腔和下半球腔，所述下半球腔内容置固定支架，所述固定支架与所述球壳之间通过支撑轮连接，以便于所述固定支架与所述球壳之间相对转动；

所述固定支架包括支撑轴，所述支撑轴沿所述球壳的中心轴延伸，所述连接部设于所述支撑轴一端且位于所述上半球腔与所述下半球腔的交界处；所述驱动臂为一对，关于所述支撑轴对称分布，所述驱动轮与所述下半球腔内壁接触；所述头部驱动组件连接于所述连接部与所述上半球腔内壁之间，通过在所述上半球腔内摆动使得所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

一种实施方式中，所述行走驱动机构还包括固连于所述连接部且沿所述支撑轴方向延伸的伸缩驱动部和连接于所述驱动轮的第一电机，所述第一电机用于驱动所述驱动轮旋转，以带动所述球形机器人行走；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复运动，带动所述驱动臂绕所述连接部摆动，以调整所述驱动轮与所述球壳内壁的接触位置进而调节所述球形机器人的行走速度。

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复运动，且带动所述驱动臂 绕所述连接部摆动。

一种实施方式中，所述驱动轮与所述驱动臂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伸缩，在所述球形机器人运动过程中起到缓冲减震作用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，所述固定支架还包括连接于所述连接部相对两侧的一对环形支架，所述环形支架包括相对设置的第三端和第四端，所述球形本体还包括关于所述支撑轴对称分布的一对控制力矩陀螺系统；所述驱动臂夹设于所述一对控制力矩陀螺系统之间；所述控制力矩陀螺系统通过偏摆轴转动连接于所述第三端与所述第四端之间；所述球形机器人受到干扰力矩时，通过控制所述驱动臂摆动，以控制所述球形机器人的行走速度，球壳行走速度再控制所述控制力矩陀螺系统偏摆来提高球形机器人的稳定性及增加进动力矩。

一种实施方式中，所述控制力矩陀螺系统还包括控制力矩陀螺和偏摆电机；所述偏摆电机设于所述控制力矩陀螺上且靠近所述第三端处，所述第三端设有第一齿轮，所述偏摆电机设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮，所述偏摆电机通过带动所述第二齿轮相对于所述第一齿轮偏摆，以带动所述控制力矩陀螺绕所述偏摆轴偏摆。

一种实施方式中，所述头部驱动组件还包括导向支架，所述导向支架固定连接于所述旋转基座，所述摇杆机构通过第一转轴连接所述旋转基座，所述导向支架包括弧形导轨，所述摇杆机构上设有导向轮，所述导向轮在所述弧形导轨上滚动，使所述摇杆机构以所述旋转基座为支点摆动，以带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

一种实施方式中，所述摇杆机构还包括盾，所述盾设于所述摇杆机构远离所述旋转基座的一端，与所述头部组件磁性连接，使所述头部组件设于所述球形本体之上且不妨碍所述球壳的行走；所述旋转基座带动所述导向支架、所述摇杆机构及盾相对所述连接部旋转，以带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

本申请提供的一种球形机器人，包括球体和磁吸于所述球体上的头部，球体与头部的均可独立运动，所述头部可沿所述球体外壁自由滑动且相对于所述球体自转，可增加所述头部的功能性及趣味性；头部驱动组件设有旋转基座、以所述旋转基座为支点摆动的摇杆机构，以实现所述头部的自由滑动；所述球形本体内设置行走驱动机构和控制力矩陀螺系统，行走驱动机构通过驱动轮与 球壳之间的摩擦力驱动所述球形机器人行走，所述行走驱动机构在不影响电机效率下实现球形机器人行走时的无级变速。在所述球形机器人遇到行走障碍，且驱动轮的驱动力矩足以使得所述球形机器人越障时，所述控制力矩陀螺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，进而使驱动轮的驱动力矩全部传递给球壳，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带动所述控制力矩陀螺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；所述球壳上设有凸点，凸点之间形成凹陷，所述凹陷可与障碍突出部相卡持，为所述球形机器人越障提供支撑点，防止打滑。

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2-1是本发明实施例提供的一种球形机器人结构示意图。

图2-2是本发明实施例提供的一种球形机器人结构示意图。

图2-3是本发明实施例提供的一种球形机器人结构示意图。

图3是本发明实施例提供的一种球形机器人内部结构示意图。

图4为本发明一种实施例的球形壳体分解示意图。

图5为本发明一种实施例的球形壳体的剖面示意图。

图6是图4所述的缓冲层结构示意图。

图7是图5中I的局部放大示意图。

图8是本发明实施例提供的一种球形机器人整体结构示意图。

图9-1是本发明实施例提供的一种球形机器人中驱动组件示意图。

图9-2是本发明实施例提供的一种球形机器人中框架结构示意图。

图10是本发明实施例提供的一种无级变速结构示意图。

图11是本发明实施例提供的一种无级变速结构示意图。

图12是本发明实施例提供的一种球形机器人中控制力矩陀螺结构示意图。

图13-1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13-2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14-1是本发明实施例提供的一种无级变速结构示意图。

图14-2是本发明实施例提供的一种无级变速结构示意图。

图15是本发明实施例提供的一种无级变速中弹性连接件结构示意图。

图16是本发明实施例提供的一种球形机器人中驱动组件的俯视图。

图17是本发明实施例提供的一种球形机器人中反向同步组件的局部放大图。

图18是本发明实施例提供的控制力矩陀螺偏摆的结构示意图。

图19为本发明实施例提供的头部驱动组件的结构示意图。

图20为本发明实施例提供的头部驱动组件的正视图。

图21为本发明实施例提供的头部驱动组件的侧视图。

图22和图23为本发明实施例提供的头部驱动组件的局部结构示意图。

图24为本发明实施例提供的头部驱动组件的第一支架的结构示意图。

图25和图26为本发明实施例提供的头部驱动组件的盾的结构示意图。

图27为本发明实施例提供的球形机器人的内部结构示意图。

图28为本发明实施例提供的球形机器人的头部整体结构示意图。

图29为本发明实施例提供的头部的内部结构示意图。

图30为本发明实施例提供的球形机器人的头部的截面示意图。

图31为本发明实施例提供的球形机器人的头部的托盘支架与上盖的连接处截面图。

图32为本发明实施例提供的球形机器人的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，对本发明实施例的技术方案进行清楚、完整地描述。

请参阅图1至图2-3，图1是本发明实施例提供的一种球形机器人，包括头部组件01和相对于所述头部组件01转动的球形本体0。所述球形本体0包括球壳1、设于所述球壳1内的支撑台4、固定于所述支撑台4上的固定支架5，所 述固定支架5包括连接部20，所述连接部20设于所述球壳1中心区域，所述球形本体0还包括连接于所述球壳1与所述连接部20之间的行走驱动机构2。所述行走驱动机构2用于驱动所述球形机器人行走及改变所述球形机器人行走速度。所述头部驱动组件7与所述头部组件01磁吸，用于带动所述头部组件01在所述球壳1的外表面运动。所述球壳1外设有凸点，为所述球形机器人在越障时提供支撑点及可防止在越障时所述球壳1打滑。

本申请提供的一种球形机器人，包括球形本体0和磁吸于所述球形本体0上的头部组件，球形本体0与头部组件的均可独立运动，所述头部组件01可沿所述球形本体0外壁自由滑动且相对于所述球形本体0自转，可增加所述头部组件01的功能性及趣味性；行走驱动机构2通过驱动轮201与球壳1之间的摩擦力驱动所述球形机器人行走，所述行走驱动机构2可不影响电机效率下实现球形机器人行走时的无级变速，在所述球形机器人遇到行走障碍，且驱动轮201的驱动力矩足以使得所述球形机器人越障时，所述控制力矩陀螺3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，增加驱动轮201与所述球壳1之间的传动效率，进而使得驱动轮201的驱动力矩全部传递给球壳1，从而使球形机器人越过障碍。当驱动轮201的驱动力矩不足以越障时，球形机器人通过控制偏摆电机带动所述控制力矩陀螺3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201的驱动力矩叠加以实现越障；所述球壳1上设有凸点120，凸点120之间形成凹陷，所述凹陷可与障碍突出部相卡持，为所述球壳1越障提供支撑点，防止所述球形机器人所述球壳1打滑。

请参阅图2-1至图2-3，一种实施方式中，所述球形本体0具有上半球腔02和下半球腔03，所述下半球腔03设有固定支架5，所述固定支架5与所述球壳1之间通过支撑轮6连接，以便于所述固定支架5与所述球壳1之间相对转动。可以理解的是，所述支撑轮6为弹性支撑轮，所述弹性支撑轮6包括弹性件61和万向轮62，所述万向轮62与所述球壳1内壁相接触。万向轮62还可以由万向滚珠代替。弹性件61可以设置为弹簧、弹性橡胶等弹性件，所述弹性件61处于压缩状态，在球形机器人行走过程中起到缓冲减震作用，甚至给予所述驱动轮201一定的接触压力，确保所述驱动轮201与所述球壳1接触，以增大所述驱动轮201与所述球壳1之间的传动效率。

请参阅图3，一种实施方式中，所述固定支架5包括支撑轴50，所述支撑轴50沿所述球壳1垂直中心轴延伸，所述连接部20设于所述支撑轴50一端且位于所述上半球腔02与所述下半球腔03的交界处，即为球壳1的中心区域。所述驱动臂21为一对，且关于所述支撑轴50对称分布。所述驱动轮201与所述下半球腔03内壁接触。所述头部驱动组件7连接于所述连接部20与所述上半球腔02内壁之间，通过在所述上半球腔02内摆动使得所述头部组件01在所述球壳1外壁滑动。

图4至图7为本发明一种实施例提供的球壳1结构图。以下将对本申请的球壳1进行更为具体的说明。请参阅图4和图5，图4为本发明一种实施例提供的球壳1的分解示意图。图5为球壳1的剖面示意图。球壳1主要包括支撑层110、多个凸点120和缓冲层130。可以理解的是，所述支撑层110大致呈中空球形本体状。球形机器人中的行走驱动机构2和头部驱动组件7等可以收容于所述支撑层110中，支撑层110能够保护收容于其内部的零部件。所述支撑层110可采用强度高、柔韧性好、且质轻的材料制成。例如支撑层110可以采用凯夫拉或其复合材料、PBO纤维、玻璃钢或PMMA等。

所述多个凸点120间隔设置于所述支撑层110外表面。具体的，所述多个凸点120均匀分布于所述支撑层110外表面。凸点120与支撑层110之间可以通过胶水粘附在一起。进一步具体的，所述多个凸点120在所述支撑层110外表面呈足球式点状分布，即每5个凸点120形成一个正五边形。所述多个凸点120的作用在于，在所述球形机器人越障时，所述障碍物突出部能够卡持在两个凸点120之间，防止球壳1与障碍物表面打滑，并且球壳1还可以以凸点120为支点，相邻的其他凸点120同时提供支撑力和摩擦力。在若干凸点120的卡持、支撑及摩擦的共同作用下，球壳1就能够翻越障碍物。优选的，所述凸点120可采用耐撞击、耐磨性好、承载性强、质轻的材料制成。例如，所述凸点120可采用PU硬发泡材料、ABS(丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物)等。需要说明的是，当采用ABS制造所述凸点120时，可采用3D打印的方式制造所述凸点120。

所述缓冲层130覆盖在所述支撑层110外表面，并且所述缓冲层130内表面与所述凸点120层相抵接。可以理解的是，所述凸点120介于所述支撑层110与所述缓冲层130之间。进一步的，缓冲层130可以为柔软易变形的柔性层，起到缓冲减震、防滑的作用。缓冲层130可采用高柔韧性、质轻的材料制造， 如PU(聚氨酯)软发泡材料等。

当球形机器人在平地上行走时，由于缓冲层130的存在，使得球壳1表面大致平齐，避免球形机器人行走过程中颠簸。当球形机器人越障时，球壳1接触障碍物，所述缓冲层130下方未设置凸点120的区域能够发生弹性形变，产生凹陷，所述缓冲层130下方设置有凸点120的区域相应形成凸起，使得障碍物卡在所述缓冲层130内部的两个凸起之间，从而能够顺利越障。

优选的，请结合参阅图6，图6为本发明的缓冲层结构示意图。所述缓冲层130内表面与所述凸点120对应位置设置有避空凹槽131。设置避空凹槽131的作用在于，在球形机器人进行越障时，障碍物与球壳1抵接，由于避空凹槽131的存在，能够在缓冲层130上形成较大的凹陷，障碍物可以卡持于凹陷中，从而更好的实现越障功能。

请结合参阅图7，图7为图5中的局部放大图。优选的，所述凸点120为锥台状。所述凸点120的大端贴附于所述支撑层110上。所述凸点120的小端与所述缓冲层130相抵接。进一步优选的，所述凸点120的1/2锥角α1大于或等于20°。可以理解的是，将凸点设置为锥台状，同样具有避空的作用，有利于在缓冲层130上形成凹陷，从而实现更好的越障效果。优选的，所述避空凹槽131呈倒锥状，所述避空凹槽131的1/2锥角α2大于或等于70°。同样，是为了增大弹性形变量，增强越障效果。

优选的，所述凸点120的高度h介于5-8mm之间。进一步优选的，所述凸点120的高度h为7.5mm。

可以理解的是，在本发明的其他实施例中，所述多个凸点120还可以非均匀地分布于所述支撑层110上。所述凸点120可以是任意形状，如柱形、锥形等；所述凸点120尺寸也可以根据实际需要确定。

本发明一种可能的实现方式中，所述球壳1还包括耐磨层(未示出)。所述耐磨层覆盖于所述缓冲层130外表面。所述耐磨层用于直接接触地面，其具有良好的耐磨性能、机械强度高。优选的。耐磨层具有良好的电气绝缘性能，起到保护球壳1内部的零组件不受外界电流干扰的作用。优选的，所述耐磨层可以采用硅胶材料制成。

本发明一种可能的实现方式中，所述球壳1还包括摩擦层(未示出)，所述摩擦层贴附于所述支撑层110内侧。所述摩擦层与所述行走驱动机构2相接触，所述行走驱动机构2的驱动力作用于摩擦层。摩擦层的存在可以避免行走 驱动机构2与球壳1之间打滑，增加行走驱动机构2与球壳1之间的传动效率。可以理解的是，所述摩擦层应当具有良好的耐磨性能。一种优选的实施方式中，可采用喷UV漆的方式制造耐摩擦、高硬度的摩擦层。

图8至图18为本发明一种实施例提供的行走驱动机构结构图。请参阅图8至图9-1，本发明实施例提供的一种球形机器人，包括球壳1、设于所述球壳1内部的行走驱动机构2、支撑台4、固定于所述支撑台4上的固定支架5。

所述行走驱动机构2包括连接部20、一对驱动臂21、伸缩驱动部22、一对控制力矩陀螺系统3。连接部20设于所述固定支架5的支撑轴上、伸缩驱动部22固定连接于所述连接部20且沿着所述支撑轴50方向延伸，一对控制力矩陀螺系统3设于所述头部驱动组件7与所述驱动轮201之间的容置空间内，具体可以为球壳1中心的左右两侧，关于所述连接部20呈对称分布，一对驱动臂21设于下半球腔03内，转动连接于所述连接部20，且关于所述支撑轴50对称。所述固定支架5通过弹性支撑轮6连接至所述球壳1内壁，可与所述行走驱动机构2一起与所述球壳1相对转动，以防止所述行走驱动机构2在所述球壳1内不稳定。所述两个控制力矩陀螺系统3之间设有反向同步齿轮组25，以带动所述两个控制力矩陀螺系统3反向同步偏摆。

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与所述球壳1内壁相接触，所述驱动轮201在转动过程中，在所述球壳1内壁产生摩擦力从而带动所述球壳1相对于所述行走驱动机构2转动，以实现球形机器人的行走。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。

请参阅图9-1及图10，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做往复运动，带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动以调节所述驱动轮201与所述球壳1的接触位置来调节所述球形机器人的行走速度。

请参阅图10及图11，所述驱动轮201相对于所述球壳1做圆周运动，在所述驱动轮201速度一定下，其中，所述驱动轮201沿着半径越大的圆运动，则球壳1行走速度越慢，所述驱动轮201沿着半径越小的圆运动，则球壳1行走速度越快。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相对在所述球壳1的接触位置，即调节所述驱动轮201在所述球壳1内壁相对运 动的圆周半径，在驱动轮201行走速度一定下，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行走无级变速。

请参阅图12，控制力矩陀螺系统3包括控制力矩陀螺31和偏摆电机32，所述控制力矩陀螺31包括转子311、轴承312、套设于所述转子311外围的转子框架313及驱动所述转子311绕其中心轴转动的自转电机314，所述自转电机314设于所述转子框架313上，通过带动所述轴承312以带动所述转子311旋转。所述偏摆电机32固定于所述转子框架313上与所述控制力矩陀螺31一起相对于所述固定支架5偏摆。在所述球形机器人运动过程中，所述自转电机314带动所述转子311绕轴承312高速旋转，所述两个控制力矩陀螺3的转子自转方向相反。所述偏摆电机322固定于所述转子框架324上与所述控制力矩陀螺31一起相对于所述固定支架320偏摆。所述两个控制力矩陀螺系统3之间设有一组反向同步齿轮组25，以带动所述两个控制力矩陀螺系统3反向同步偏摆，这样的设计一方面可以实现通过机械齿轮带动所述两个控制力矩陀螺系统3反向同步偏摆，以减少由两个电机控制反向同步偏摆时出现偏摆延迟、偏摆的反向同步精度低的问题；另一方面，还可以实现减少电机数量、增大空间利用率及降低整机重量。

为了增大球形机器人在越障过程中转动力矩，需要降低所述球壳1的转动速度，此时，球形机器人通过控制所述第一电机202驱动所述伸缩驱动部22带动所述第一连杆23相对于所述第一电机202运动，从而带动所述驱动臂21收紧以实现在不影响所述电机效率的状态下降低所述球壳1行走速度，为越障做准备。在球形机器人遇障(如较大坡度、地面突出物、楼梯等)时，障碍物会对所述球壳1产生干扰力矩以阻碍其运动，所述球壳1将该干扰力矩通过所述驱动轮201传送至所述行走驱动机构2，高速旋转状态下的所述控制力矩陀螺系统3受到所述干扰力矩作用，会自由偏摆产生一个与所述干扰力矩方向相反大小相等的进动力矩使球形机器人底盘稳定，使得驱动力矩(驱动轮驱动球壳的力矩)全部转递给球壳以实现越障。在球形机器人受到较大干扰力矩干扰时，所述球形机器人控制高速旋转下的所述控制力矩陀螺31以大于自由偏摆时的角速度偏摆，以增大所述进动力矩。所述控制力矩陀螺31产生的进动力矩一方面稳定了所述行走驱动机构，避免其发生翻转，另一方面，将进动力矩通过所述固定支架5传递至驱动轮201，进而与驱动轮201的驱动力矩叠加后全部传送至 球壳1，从而提高球形机器人的越障爬坡性能及自动调整姿态平衡。

本申请实施例提供了一种球形机器人，驱动轮201与所述球壳1内壁产生转动摩擦力(牵引力矩)从而带动所述球壳1行走；通过设置伸缩驱动部22和第一连杆23，伸缩驱动部22通过第一连杆23带动所述驱动臂21绕所述连接部20摆动，从而改变所述驱动轮201与球壳1内壁的接触位置，在不影响电机功率下实现球形机器人行走时的无级变速；通过设置控制力矩陀螺系统3，当球形机器人遇障时，所述球壳1受到干扰力矩干扰，所述控制力矩陀螺系统3产生进动力矩，并结合所述驱动臂21使得所述球壳1的行走速度减小，在行走驱动机构2传送至所述球壳1的功率一定情况下，所述球壳1的转动力矩增大，从而促进所述球形机器人越障，平衡所述球形机器人的姿态；通过在两个控制力矩陀螺系统3之间设置反向同步齿轮组25，以带动控制力矩陀螺系统3反向同步偏摆，使得控制力矩陀螺31之间的偏摆反向同步更加精确，从而使得两个控制力矩陀螺系统3之间产生同向的进动力矩，增加球形机器人的稳定性。

一种实施方式中，所述行走驱动机构2中所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出行走速度比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的行走速度越快；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的行走速度越慢。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的行走速度的调节，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行走的无级变速调节。

请参阅图13-1，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，此时行走速度比I增大，球壳1速度减小，从而球形机器人获得更大的越障驱动力矩。

请参阅图13-2，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的行走速度，需要减小所述驱动轮201与所述球壳1之间的输出行走速度比，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，此时行走速度比I减小，球壳1速度增加，从而实现球形机器人获得更快的行走速度。

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。

请参阅图14-1及图14-2，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做往复运动，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，也可以采用液压缸、气缸或其他可实现将驱动臂21摆动的其他连杆机构。

一种实施方式中，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14-1及图14-2，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32；所述第二连杆32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始终保持向上推动所述第二连接件229，进而推动驱动臂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，从而减少行走驱动机构2占据的空间，便于其他结构的布局。

请参阅图15，所述驱动轮201与所述第二连杆32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32，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32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通过牵引力矩带动所述球壳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。

请参阅图9-1，所述弹性支撑轮6包括弹性件61和的支撑轮62，所述支撑轮62与所述球壳1内壁相接触。支撑轮62还可以为滚珠。弹性件61可以设置为弹簧、弹性橡胶等弹性件，所述弹性件处于压缩状态，起到缓冲保护作用，及压缩状态的所述弹性件确保在运动过程中，所述驱动轮与所述球壳接触，甚至给予所述驱动轮一定的接触压力。

请参阅图9-1、图9-2及图16，一种实施方式中，所述固定支架5包括连接于所述连接部20相对两侧的一对环形支架5a，所述环形支架5a包括相对设置的第三端51、第四端52及设于所述第三端51和第四端52之间的连接部20。所述两个控制力矩陀螺系统3包括关于所述连接部20对称分布的第一控制力矩陀螺系统3a和第二控制力矩陀螺系统3b。所述第一控制力矩陀螺系统3a和所述第二控制力矩陀螺系统3b分别设于所述第三端51与所述连接部20、所述第四端52与所述连接部20之间，且分别通过第一偏摆轴和第二偏摆轴与所述环形支架5a之间转动连接。第一控制力矩陀螺系统3a包括第一偏摆电机32a和第一控制力矩陀螺3a，第二控制力矩陀螺系统3b包括第二偏摆电机32b和第二控制力矩陀螺3b，所述第一偏摆电机32a、第二偏摆电机32b分别带动所述第一控制力矩陀螺3a绕第一偏摆轴33a偏摆、第二控制力矩陀螺3b绕第二偏摆轴33b偏摆。

请参阅图12及图16，所述偏摆电机32设于所述控制力矩陀螺31上且远离所述连接部20的一端，所述第三端51设有第一齿轮511，所述偏摆电机32设有与所述第一齿轮511相啮合的第二齿轮512，所述偏摆电机32通过带动所述第二齿轮512相对于所述第一齿轮511偏摆，以带动所述控制力矩陀螺系统3绕所述偏摆轴33偏摆。

请参阅图16，一种实施方式中，所述支撑台4设有第一轴向Y，所述驱动轮201关于所述第一轴向Y对称分布，且所述两个控制力矩陀螺系统3a、3b的所述偏摆轴33a、33b的延伸方向沿着所述第一轴向Y的方向延伸。当所述球形机器人沿Y正方向行走遇到障碍时，球形机器人控制驱动臂21相对于所述伸缩驱动部22收紧，以增大所述球壳1与所述驱动轮201之间的行走速度比，从而降低球壳的行走速度，为球壳越障做准备。由于障碍的干扰力矩，驱动轮201的驱动力矩无法全部传递给球壳1，使得部分驱动力矩传递给位于球壳1内 部的连接部20，这时控制力矩陀螺系统3将发生进动而产生进动力矩平衡上述的部分驱动力矩，以稳定球壳1内部的连接部20并增加驱动轮201与所述球壳1之间的传动效率，使驱动轮201的驱动力矩全部传递给球壳1从而实现越障，进而避免球壳1内部的行走驱动机构将在球壳1内发生翻滚，球壳1无法获得最大驱动力矩实现越障。

本申请实施例中，对于所述控制力矩陀螺系统3的排布方式可以采用如下方式：当越障需要的进动力矩方向沿第一轴向Y时，控制力矩陀螺系统3的偏摆轴向沿X方向布置；反之，当越障需要的进动力力矩方向沿X轴时，控制力矩陀螺系统3的偏摆轴向沿第一轴向Y方向布置。

本申请实施例中，球形机器人通过控制两个控制力矩陀螺系统3a、3b的转子自转方向相反，并通设置反向同步齿轮25确保所述控制力矩陀螺系统3a、3b偏摆方向相反同步，使得所述两个控制力矩陀螺系统3a、3b产生同向的进动力矩。

请参阅图17和图18，所述反向同步齿轮组25固定于所述连接部20，包括相对设置的第三齿轮251、第四齿轮252及与所述第三齿轮251和所述第四齿轮252相啮合的中间齿轮255，所述第三齿轮251和所述第四齿轮252分别固接于所述第一控制力矩陀螺系统3a的转子框架和所述第二控制力矩陀螺系统3b的转子框架，所述中间齿轮255的传动作用使得所述第三齿轮251和所述第四齿轮252转向相反，使得所述第一控制力矩陀螺系统3a和所述第二控制力矩陀螺系统3b反向同步偏摆。在本实施方式中，通过在所述两个控制力矩陀螺31之间设置反向同步齿轮组25，这样的设计一方面可以实现通过机械齿轮带动所述两个控制力矩陀螺系统3a、3b反向同步偏摆，以减少由两个电机控制反向同步偏摆时出现偏摆延迟、偏摆的反向同步精度低的问题；另一方面，还可以实现减少电机数量，增大空间利用率及降低整机重量。

请参阅17和图18，一种实施方式中，所述中间齿轮255包括相互啮合的第五齿轮253和第六齿轮254，所述第三齿轮251与所述第五齿轮253相啮合，所述第四齿轮252与所述第六齿轮254相啮合，所述第三齿轮251与所述第六齿轮254的转向相同，所述第四齿轮252与所述第五齿轮253的转向相同，且与所述第三齿轮251与所述第四齿轮252的转向相反，偏摆效果图如图18所示。

一种实施方式中，所述第三齿轮251、所述中间齿轮255与所述第四齿轮252均为渐开线直齿轮。本实施方式相对于上述实施方式，减少了中间齿轮255 的个数。

在其他实施方式，反向同步齿轮组25还可以为其他的结构。本申请在所述两个控制力矩陀螺31之间设有反向同步齿轮组25，使得所述两个控制力矩陀螺31的偏摆方向反向同步，可以使得两个控制力矩陀螺31产生相同的进动力矩，从而保证球形机器人的稳定性。

图19至图32为本发明实施例的头部驱动组件7的结构示意图。请一并参阅图19至图24，本实施例中，头部驱动组件7包括旋转基座702、摇杆机构704及盾706，旋转基座702安装于球体1内的固定支架5上。旋转基座702转动安装于固定支架5上，可以相对固定支架5主动旋转，从而使连接于旋转基座702上的机构均能随着旋转基座702而相对固定支架5旋转。进一步的，旋转基座702上固定有第一转轴700，摇杆机构704通过第一转轴700连接旋转基座702，摇杆机构704一端连接第一转轴700，另一端连接盾706，即连接在旋转基座702上的第一转轴700、摇杆机构704及盾706可以作为一个整体通过旋转基座702相对固定支架5旋转。同时，由于摇杆机构704转动连接第一转轴700，摇杆机构704及盾706可以以第一转轴700为支点摆动。一种较佳的实施方式中，摇杆机构704转动与第一转轴700通过滚动轴承连接。盾706抵接球形本体0的内表面并磁性连接球形机器人的头部组件01，盾706位于球形本体0内，头部组件01位于球形本体0外，头部组件01与盾706相对静止，盾706在球形本体0内表面的运动与头部组件01在球形本体0外表面的运动对应，即头部组件01的位置与盾706的位置对应并相对球形本体0反向同步运动。

将球形本体0划分为相互垂直的经线和纬线，头部组件01以球形本体0表面为轨迹可以用经度和纬度来表示，摇杆机构704带动头部组件01以第一转轴700为支点摆动可以改变头部组件01在球形本体0的纬度大小，旋转基座702带动摇杆机构704及头部组件01相对固定支架5旋转可以改变头部组件01在球形本体0的经度大小，故旋转基座702与摇杆机构704的配合可以使头部组件01移动到球形本体0的任意位置。本实施例中，当球形本体0处于静止状态时，为了使球形本体0内部各功能结构的重心保持在下半球腔03以稳定球形机 器人的重心，头部组件01保持在球形本体0上半球腔02的外表面移动。

旋转基座702控制安装于旋转基座702上的摇杆机构704及盾706相对固定支架5旋转，同时摇杆机构704及盾706以第一转轴700为支点摆动，盾706磁性连接头部组件01并与头部组件01相对球形本体0的运动状态一致，从而在球形机器人的静止状态下，头部组件01可以在球形本体0表面向任意方向相对运动，头部组件01位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化，人机交流功能的用户体验高，满足家庭机器人的使用要求。

本实施例中，旋转基座702包括第一支架7020、第三电机7022、第一主动齿轮7024及第一从动齿轮7026，第一主动齿轮7024与第一从动齿轮7026相互啮合，第三电机7022控制第一主动齿轮7024旋转，从而控制第一从动齿轮7026旋转，第一支座7020固定于第一从动齿轮7026背离固定支架5一侧，并连接导向支架708及摇杆机构704。进一步的，第一从动齿轮7026的转轴固定于固定支架5，第一主动齿轮7024通过第三电机7022驱动，带动第一从动齿轮7026相对固定支架5旋转。第一支架7020通过螺钉固定连接第一支架7020，并带动第一支架7020相对固定支架5旋转，第一支架7020作为摇杆机构704及导向支架708的基座连接摇杆机构704及导向支架708，带动摇杆机构704及导向支架708相对固定支架5旋转。第三电机7022驱动旋转基座702相对固定支架5旋转，从而带动盾706及头部组件01在球形本体0纬度的变化，提高了球形机器人的智能化。

进一步的，结合图25，第一支座7020包括固定座7021、位于固定座7021一侧的一对固定架7023，第一支座7020通过固定座7021固定于第一从动齿轮7026上，摇杆机构704的第一转轴700固定于一对固定架7023之间，从而使摇杆机构704转动连接第一支座7020，一种较佳的实施方式中，一对固定架7023对称，并且摇杆机构704的第一转轴700以螺纹连接的方式连接在一对固定架7023之间。导向支架708通过固定架7023固定于第一支座7020上，具体的，一对固定架7023之一设有多个通孔，导向支架708通过螺栓连接固定导向支架708。

本实施例中，头部驱动组件7还包括导向支架708，导向支架708固定连接第一支座7020，即导向支架708与旋转基座702的第一从动轮7026相对静止。本实施例中，导向支架708包括弧形导轨7080，摇杆机构704上设有导向轮7040，导向轮7040在弧形导轨7080上滚动，从而使摇杆机构704及连接于摇杆机构704上的盾706以第一转轴700为支点摆动。一种较佳的实施方式中，弧形导轨7080的曲率圆心位于球形本体0的球心，以使导向轮7040贴合弧形导轨7080并带动摇杆机构704及盾706摆动，即导向支架708用于限制摇杆机构704的摆动方向。弧形导轨7080的长度决定了摇杆机构704摆动的范围，即头部组件01的运动范围，本实施例中，弧形导轨7080的弧度不大于π/4，一种较佳的实施方式中，弧形导轨7080对应的弧度为40度，头部组件01可以在球形本体0表面40°范围内无死角摆动，避免头部组件01摆动幅度过大而磁吸力不足以抵抗头部组件01的重力导致头部组件01脱离球形本体0滑落。

本实施例中，摇杆机构704包括夹紧件7040、直杆7042及导向轮固定架7044，夹紧件7040包括转动端与夹紧端，转动端套设于第一转轴700并与转动轴旋转固定，一种较佳的实施方式中，转动端与第一转轴700通过轴承连接，以减小夹紧件7040与第一转轴700相对转动的摩擦力，夹紧端夹紧固定直杆7042，以稳定直杆7042以第一转轴700为支点摆动。一种较佳的实施方式中，第一转轴700位于球形本体0的球心位置的上方，其他实施方式中，第一转轴700也可以位于球形本体的球心位置或其他位置。当直杆7042摆动时，通过固定长度的直杆7042连接的盾706与球形本体0外壳的距离不变，即盾706与头部组件01的距离不变，盾706与头部组件01的磁性吸引力不变，避免头部组件01在球形本体0表面移动过程中的球形本体0对头部组件01的磁吸力不足或不稳定导致头部组件01脱离球形本体0。导向轮固定架7044套设于直杆7042远离夹紧件7040的一端，导向轮固定架7044安装导向轮7040，使导向轮7040与弧形导轨7080滚动连接，直杆7042连接盾706。一种较佳的实施方式中，导向轮7040的滚动边缘为内凹状，用于嵌入导向支架708的弧形导轨7080，避免 导向轮7040在弧形导轨7080上滚动时导向轮7040在非滚动方向上脱离弧形导轨7080。导向轮7040在弧形导轨7080滚动从而带动直杆7042及盾706以第一转轴700为支点摆动，进而实现头部组件01在球形本体0经度的变化，提高了球形机器人的智能化。

本实施例中，导向支架708还包括第一导向支架7086及与第一导向支架7086滑动连接的第一滑块7081，第一滑块7081与导向轮7040通过第一伸缩件7100连接，第一滑块7081在第一导向支架7086滑动并通过第一伸缩件7100带动导向轮7040在弧形导轨7080滚动。一种较佳的实施方式中，第一伸缩件7100为弹簧，且工作状态保持为拉伸状态。本实施例中，第一滑块7081的滑动凹槽为燕尾槽，第一导向支架7086为与第一滑块7081配合的燕尾状导轨，用于防止滑动过程中第一滑块7081与第一导向支架7086相互分离。第一滑块7081在第一导向支架7086滑动并通过第一伸缩件7100拉动导向轮7040在弧形导轨7080滚动，从而使直杆7042摆动，同时，第一伸缩件7100也起到拉扯导向轮7040使导向轮7040始终贴合在弧形导轨7080的作用。

本实施例中，导向支架708还包括第二支架7082、第二电机7083、第二主动齿轮7084及第二导向支架7085，第二主动齿轮7084与第一滑块7081通过第二支架7082连接，第二导向支架7085表面设有与第二主动齿轮7084啮合的齿，第二电机7083驱动第二主动齿轮7084在第二导向支架7085上相对运动，从而通过第二支架7082带动第一滑块7081在第一导向支架7086滑动。具体的，第二导向支架7085与第一导向支架7086的方向一致，从而当第二主动齿轮7084在第二导向支架7085上移动时，带动第一滑块7081在第一导向支架7086上向相同的方向滑动。进一步的，第二支架7082与摇杆机构704通过轴承转动连接，以通过摇杆机构704固定第二支架7082，同时在摇杆机构704摆动时，由于摇杆机构704位置变化，第二支架7082仍然能够与摇杆机构704连接。

结合图26和图27，本实施例中，盾706包括盾盘7060、磁性装置7062及套筒7064，套筒7064套设于直杆7042上并与导向轮固定架7044相互固定，从 而使盾盘7060连接摇杆机构704，磁性装置7062均匀分布于盾盘7060背离套筒7064一侧，用于磁性连接头部组件01。具体的，盾706为镂空的圆盘状，圆盘状利于均匀分布磁性装置7062，以均匀吸附头部组件01，防止头部组件01脱离球形本体0，镂空设计减小盾706的重量，从而减小头部驱动组件7的负载，节省电量，提高球形机器人的续航能力。进一步的，盾706还设有万向滚轮7068，以减小盾706与球形本体0内表面的摩擦力。

本实施例中，摇杆机构704还包括第一花键母7702，第一花键母7702套设于直杆7042上，并固定于导向轮固定架7044之间，用于防止导向轮固定架7044相对直杆7042旋转。具体的，直杆7042的截面为与第一花键母7702间隙配合花键形状。

本实施例中，头部驱动组件7还包括第二伸缩件7704，第二伸缩件7704连接第一支座7020与直杆7042，用于辅助控制摇杆机构704摆动。具体的，第二伸缩件7704一端固定第一支座7020，另一端通过固定支架固定在直杆7042上，摇杆机构704还包括第二花键母7706，第二花键母7706套设于直杆7042上，并固定连接用于固定第二伸缩件7704的固定支架，以保持第二伸缩件7704的拉伸方向平行于直杆7042。一种较佳的实施方式中，第二伸缩件7704为弹簧，且工作状态处于拉伸状态，可起到辅助控制所述摇杆机构704摆动的作用，平衡电机扭力，降低能耗。

旋转基座702控制安装于旋转基座702上的摇杆机构704及盾706相对固定支架5旋转，同时摇杆机构704及盾706以第一转轴700为支点摆动，盾706磁性连接头部组件01并与头部组件01相对球形本体0的运动状态一致，从而在球形机器人的静止状态下，头部组件01可以在球形本体0表面向任意方向相对运动，头部组件01位置可以根据内置的功能器件的工作要求变化，提高了球形机器人的智能化，人机交流功能的用户体验高，满足家庭机器人的使用要求。

请参阅图1到图2-2，本发明的实施例还提供一种球形机器人，球形机器人包括球形本体0和以上所述的头部组件01，头部组件01与球形本体0磁性连 接，球形本体0内承载行走驱动机构2、头部驱动组件7、电源等，行走驱动机构2用于驱动球形本体0转动，依靠球形本体0外表面与地面的摩擦力驱使球形机器人行走，头部驱动组件7磁性连接头部组件01，用于控制头部组件01吸附在球形本体0外表面运动。在球形本体0处于静止状态时，头部驱动组件7控制头部组件01移动到球形本体0表面的任意位置，即头部组件01可以以球形本体0表面为轨迹在XYZ方向移动，同时，头部组件01内的功能器件以头部组件01的中心轴为轴线自主旋转，从而改变头部组件01内置的功能器件的工作状态，例如通过改变头部组件01的位置改变头部组件01内置的摄像头的拍摄角度等，提高了球形机器人的智能化。

请一并参阅图28至图31，头部组件01包括基座800、托盘支架802、功能器件704及传动齿轮组806。基座800磁性连接球形本体0，具体的，基座800上设有多个磁性装置8002，磁性装置8002均匀分布，并且基座800上的磁性装置8002与头部驱动组件7的盾上的磁性装置8002一一对应，以使基座800与盾均匀吸附，避免头部组件01脱离球形本体0。一种较佳的实施方式中，磁性装置8002使用永磁体或电磁体。进一步的，基座800接触球形本体0的一侧还设置有多个均匀分布的万向滚轮8004，万向滚轮8004与球形本体0滚动接触，以降低头部组件01与球形本体0表面的摩擦力，降低能量损耗。

进一步的，传动齿轮组806安装于基座800上，传动齿轮组806包括相互啮合的主动轮8062与从动轮8064，主动轮8062与驱动主动轮8062转动的头部驱动电机8060通过基座800支架安装在基座800上，从动轮8064也安装在基座800支架上，头部驱动电机8060驱动主动轮8062旋转从而带动从动轮8064及固定在从动轮8064上的装置旋转。一种较佳的实施方式中，从动轮8064的旋转轴为基座800的中心线。托盘支架802固定于传动齿轮组806的从动轮8064，并通过从动轮8064与基座800转动连接，具体的，托盘支架802设有多个固定孔用于固定安装功能器件704，为了保证托盘支架802具有足够的强度承载各功能器件704，托盘支架802采用强度高的金属材料制作，同时对托盘支架802做镂空设计，以减小托盘支架802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802的中心轴与从动轮8064的旋转轴固定，以使托盘支架802与从动轮8064的转动形式相同。功能器件704固定于托盘支架802上，传动齿轮组806的主动轮8062转动连接基座800并驱动托盘支架802及功能器件704相对基座800转动，磁性装置8002、万向滚轮8004等器件连接基座800且相对球形本体0静止，即仅使需要相对球形本体0转动以实现人机交互功能的功能器件704旋转，其他器件不旋转，头部组件01转动的负载小，电量消耗小，增强了球形机器人的续航能力，并且降低了头部组件01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，头部组件01还包括与基座800转动连接的上盖808，上盖808固定连接托盘支架802，上盖808与基座800形成封闭的壳体并容纳托盘、功能器件704及传动齿轮组806，以保护头部组件01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808与托盘支架802固定连接，从而能够与托盘支架802一起相对基座800旋转，同时，上盖808上开设有透明的视窗口，用于配合头部组件01内的功能器件704进行人机交流，上盖808与功能器件704一同相对基座800旋转，即上盖808与功能器件704始终保持相对静止，上盖808不影响功能器件704的正常工作。

请参阅图32，图32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802设有定位凹槽8022，上盖808对应定位凹槽8022设有定位凸起2082，定位凹槽8022与定位凸起2082配合以固定连接托盘支架802和上盖808。进一步的，定位凸起2082与定位凹槽8022过盈配合，用于降低托盘支架802带动上盖808转动时，上盖808的转动相对托盘支架802转动的延迟，提高上盖808转动的反应速度。

本实施例中，定位凹槽8022的截面为矩形，以降低托盘支架802带动上盖808转动时，上盖808的转动相对托盘支架802转动的延迟。进一步的，上盖808为塑料材料，塑料材料重量轻，有利于减小头部组件01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802与上盖808在定位凸起2082与定位凹槽8022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8024，热熔螺母8024与塑料材料的上盖808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8024不易因为多次拆装螺钉而伤害塑料材料的上盖808。

综上所述，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，但该较佳实施例并非用以限制本发明，该领域的普通技术人员，在不脱离本发明的精神和范围内，均可作各种更动与润饰，因此本发明的保护范围以权利要求界定的范围为准。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种球形机器人，其特征在于，包括头部组件和可相对于所述头部组件转动的球形本体；所述球形本体包括球壳、设于所述球壳中心区域的连接部、连接于所述球壳与所述连接部之间的行走驱动机构；所述行走驱动机构包括可绕所述连接部摆动的驱动臂，所述驱动臂一端设有与所述球壳接触的驱动轮，通过所述驱动轮与所述球壳之间的摩擦力驱动所述球形机器人行走，通过改变所述驱动臂相对于所述连接部的摆动位置，以改变所述球形机器人的行走速度；所述连接部之远离所述行走驱动机构的一侧设有头部驱动组件，所述头部驱动组件包括固接于所述连接部的旋转基座、设于所述旋转基座上且以所述旋转基座为支点摆动的摇杆机构，所述摇杆机构在绕所述旋转基座摆动过程中，通过磁吸力带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

2.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于，所述球壳外设有多个凸点，所述多个凸点相间隔地分布于所述球壳外壁，所述多个凸点之间形成凹陷，所述凹陷为所述球形机器人越障时提供支撑点及防止所述球壳打滑。

3.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于，所述球形本体具有上半球腔和下半球腔，所述下半球腔内容置固定支架，所述固定支架与所述球壳之间通过支撑轮连接，以便于所述固定支架与所述球壳之间相对转动；

所述固定支架包括支撑轴，所述支撑轴沿所述球壳的中心轴延伸，所述连接部设于所述支撑轴一端且位于所述上半球腔与所述下半球腔的交界处；所述驱动臂为一对，关于所述支撑轴对称分布，所述驱动轮与所述下半球腔内壁接触；所述头部驱动组件连接于所述连接部与所述上半球腔内壁之间，通过在所述上半球腔内摆动使得所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

4.根据权利要求3所述的一种球形机器人，其特征在于，所述行走驱动机构还包括固连于所述连接部且沿所述支撑轴方向延伸的伸缩驱动部和连接于所述驱动轮的第一电机，所述第一电机用于驱动所述驱动轮旋转，以带动所述球形机器人行走；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复运动，带动所述驱动臂绕所述连接部摆动，以调整所述驱动轮与所述球壳内壁的接触位置进而调节所述球形机器人的行走速度。

5.根据权利要求4所述的一种球形机器人，其特征在于，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复运动，且带动所述驱动臂绕所述连接部摆动。

6.根据权利要求5所述的一种球形机器人，其特征在于，所述驱动轮与所述驱动臂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伸缩，在所述球形机器人运动过程中起到缓冲减震作用及为所述驱动轮与所述球壳之间提供接触压力的作用。

7.根据权利要求3所述的一种球形机器人，其特征在于，所述固定支架还包括连接于所述连接部相对两侧的一对环形支架，所述环形支架包括相对设置的第三端和第四端，所述球形本体还包括关于所述支撑轴对称分布的一对控制力矩陀螺系统；所述驱动臂夹设于所述一对控制力矩陀螺系统之间；所述控制力矩陀螺系统通过偏摆轴转动连接于所述第三端与所述第四端之间；所述球形机器人受到干扰力矩时，通过控制所述驱动臂摆动，以控制所述球形机器人的行走速度，球壳行走速度再控制所述控制力矩陀螺系统偏摆来提高球形机器人的稳定性及增加进动力矩。

8.根据权利要求7所述的一种球形机器人，其特征在于，所述控制力矩陀螺系统还包括控制力矩陀螺和偏摆电机；所述偏摆电机设于所述控制力矩陀螺上且靠近所述第三端处，所述第三端设有第一齿轮，所述偏摆电机设有与所述第一齿轮相啮合的第二齿轮，所述偏摆电机通过带动所述第二齿轮相对于所述第一齿轮偏摆，以带动所述控制力矩陀螺绕所述偏摆轴偏摆。

9.根据权利要求1所述的一种球形机器人，其特征在于，所述头部驱动组件还包括导向支架，所述导向支架固定连接于所述旋转基座，所述摇杆机构通过第一转轴连接所述旋转基座，所述导向支架包括弧形导轨，所述摇杆机构上设有导向轮，所述导向轮在所述弧形导轨上滚动，使所述摇杆机构以所述旋转基座为支点摆动，以带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。

10.根据权利要求9所述的一种球形机器人，其特征在于，所述摇杆机构还包括盾，所述盾设于所述摇杆机构远离所述旋转基座的一端，与所述头部组件磁性连接，使所述头部组件设于所述球形本体之上且不妨碍所述球壳的行走；所述旋转基座带动所述导向支架、所述摇杆机构及盾相对所述连接部旋转，以带动所述头部组件在所述球壳外壁滑动。