CN107499405B - 球形机器人 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种球形机器人。该球形机器人包括第一半球壳、中间壳和第二半球壳依次连接构成的球体；所述中间壳内表面嵌设有功能模组，所述中间壳被构造为绕所述球体的水平转动轴线、分别相对第一半球壳和第二半球壳转动，以调整所述功能模组的对外朝向角度。该球形机器人通过中间壳转动，能够实现功能模组的任意角度调节。

Description

球形机器人

技术领域

本发明涉及机器人技术领域，尤其涉及一种球形机器人。

背景技术

球形机器人是一种以球形或近似球形的结构为外壳的独立运动体。它在运动方式上，以滚动运动为主。现有的球形机器人功能模组放置在偏置机构中，偏置机构通过磁力等方式吸附在球形机器人的外表面，造成机器人的稳定性不好。并且在球形机器人不工作时，功能模组很难在自身重力下，保持当前角度。此外，无法实现功能模组的角度的自动调节调节。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种球形机器人的新技术方案。

根据本发明的一个方面，提供一种球形机器人。该机器人包括第一半球壳、中间壳和第二半球壳依次连接构成的球体；所述中间壳内表面嵌设有功能模组，所述中间壳被构造为绕所述球体的水平转动轴线、分别相对第一半球壳和第二半球壳转动，以调整所述功能模组的对外朝向角度。

球形机器人的外壳分为第一半球壳、第二半球壳和中间壳。其中，第一半球壳和第二半球壳均为半球或者近似半球的结构。第一半球壳和第二半球壳共同作为驱动轮和支撑轮，从而使球形机器人发生移动。在中间壳内表面嵌设有功能模组。这使得球形机器人的集成度高，外形规整，稳定性良好。通过中间壳转动，能够实现功能模组的任意角度调节。

可选地，所述球体内置有支撑部，所述支撑部上设置有第一驱动装置，用于驱动所述中间壳转动。通过这种方式，能够实现功能模组的角度的自动调节。

可选地，所述第一驱动装置包括第一电机，在所述第一电机的驱动轴上设置有齿轮，在所述中间壳的内表面上还设置有与所述齿轮啮合的内齿槽。齿轮传动的传动比高，这使得中间壳转动的角度更加准确，功能模组的角度调节更精确。此外，当第一电机停止工作时，齿轮和外齿轮形成卡合。这样能够更有效地防止功能模组的角度发生变化，使功能模组保持当前的角度。

可选地，在所述中间壳的外周面上设置有第一台阶结构和第二台阶结构，所述第一台阶结构位于所述外周面的靠近所述第一半球壳的一侧，所述第二台阶结构位于所述外周面的靠近所述第二半球壳的一侧，所述第一半球壳的外边缘扣合在所述第一台阶结构的外侧，所述第二半球壳的外边缘扣合在所述第二台阶结构的外侧。这种结构降低了第一、第二半球壳承受的力，降低了球形机器人的重量对第一、第二半球壳的造成的挤压，延长了第一、第二半球壳的使用寿命。

可选地，在所述第一半球壳的外边缘与所述第一台阶结构之间，以及所述第二半球壳的外边缘与所述第二台阶结构之间设置有缓冲元件，用于减小所述第一半球壳和所述第二半球壳与所述中间壳的转动摩擦。缓冲元件能够减小第一半球壳的外边缘与第一台阶结构之间的摩擦，以及第二半球壳的外边缘与第二台阶结构之间的摩擦。

可选地，所述缓冲元件为环形塑胶垫。该材料具有优良的耐用性，并且摩擦系数小。

可选地，所述第一半球壳与所述第二半球壳相互对称，所述第一半球壳与所述第二半球壳同轴设置，转动轴线穿过所述第一半球壳和所述第二半球壳的顶点。这使得球形机器人的质量分布更均匀，运动更平稳，外形更规整。此外，球形机器人容易实现直线运动以及转向。

可选地，所述球体内还设置有第二驱动装置，所述第二驱动装置用于驱动所述第一半球壳和所述第二半球壳旋转，以使得所述球形机器人移动。这使得球形机器人的移动变得容易。

可选地，所述第二驱动装置包括第二电机和第三电机，所述第二电机的驱动轴和所述第三电机的驱动轴位于所述球体的水平转动轴线上，所述第一半球壳被安装在所述第二电机的驱动轴上，所述第二半球壳被安装在所述第三电机的驱动轴上，所述第二电机和所述第三电机分别用于驱动所述第一半球壳和所述第二半球壳绕所述水平转动轴线旋转。通过这种方式，第一半球壳和第二半球壳的能够相互独立地运动，这使得球形机器人的移动更加灵活。

可选地，所述第一半球壳和所述第二半球壳能够独立运动。这样便于球形机器人的转向。

可选地，所述支撑部包括基板、第一安装部、第二安装部和第三安装部，所述第一安装部位于所述基板的中部并且凸出于所述基板；所述第二安装部和所述第三安装部分别位于所述基板的两端，并且沿与所述第一安装部相反的方向凸出于所述基板；所述第一驱动装置被安装在所述第三安装部，所述第二电机被安装在所述第一安装部，所述第三电机被安装在所述第二安装部。该结构使得第一驱动装置和第二驱动装置的安装变得容易。

可选地，所述基板、所述第三安装部、所述第一电机和所述齿轮位于所述水平转动轴线的下方，使得所述球形机器人的质心位于所述水平转动轴线的铅垂面上。通过这种方式，增强了球形机器人的稳定性。球形机器人质心更低，运动更加平稳。

在本发明的一个技术效果为：球形机器人的外壳分为第一半球壳、第二半球壳和中间壳。其中，第一半球壳和第二半球壳均为半球或者近似半球的结构。第一半球壳和第二半球壳共同作为驱动轮和支撑轮，从而使球形机器人发生移动。在中间壳内表面嵌设有功能模组。这使得球形机器人的集成度高，外形规整，稳定性良好。

此外，功能模组嵌设在中间壳内表面，即使在不工作时，功能模组也可以保持当前的角度。

此外，通过中间壳转动，能够实现功能模组的任意角度调节。本领域技术人员可以根据实际需要将功能模组设置成任意角度。

此外，功能模组被设置在球形机器人的内部，能够有效防止外部环境对功能模组的损坏。

通过以下参照附图对本发明的示例性实施例的详细描述，本发明的其它特征及其优点将会变得清楚。

附图说明

构成说明书的一部分的附图描述了本发明的实施例，并且连同说明书一起用于解释本发明的原理。

图1是根据本发明的一个实施例的球形机器人的结构示意图。

图2是根据本发明的一个实施例的球形机器人的内部视图。

图3是根据本发明的一个实施例的球形机器人的剖视图。

图4是图3中A处的局部放大图。

图5是根据本发明的一个实施例的球形机器人的一部分的分解图。

图6是根据本发明的一个实施例的支撑部的结构示意图。

附图标记说明：

1：第一半球组件；2：中间组件；3：第二半球组件；11：端盖；12：第一半球壳；13：第二电机；14：第二半球壳；15：第三电机；21：电池；22：支撑部；23：第一电机；24：齿轮；241：内齿槽；25：第一环形垫片；251：第一台阶结构；252：第一半球壳的外边缘；26：中间壳；27：第二环形垫片；271：第二台阶结构；272：第二半球壳的外边缘；28：摄像头模组；29：投影模组；c：第一安装部；d：第二安装部；e：第三安装部；f：基板。

具体实施方式

现在将参照附图来详细描述本发明的各种示例性实施例。应注意到：除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本发明的范围。

以下对至少一个示例性实施例的描述实际上仅仅是说明性的，决不作为对本发明及其应用或使用的任何限制。

对于相关领域普通技术人员已知的技术和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术和设备应当被视为说明书的一部分。

在这里示出和讨论的所有例子中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它例子可以具有不同的值。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。

图1是根据本发明的一个实施例的球形机器人的结构示意图。图2是根据本发明的一个实施例的球形机器人的内部视图。图3是根据本发明的一个实施例的球形机器人的剖视图。

如图1-3所示，球形机器人包括第一半球壳12、中间壳26和第二半球壳14依次连接构成的球体。中间壳26内表面嵌设有功能模组，中间壳26被构造为绕球体的水平转动轴线、分别相对第一半球壳12和第二半球壳14转动，以调整功能模组的对外朝向角度。

例如，第一半球壳12、中间壳26和第二半球壳14扣合在一起，以形成球形或者近似球形的结构的球体。中间壳26呈环形结构。中间壳26位于第一半球壳12和第二半球壳14之间。第一半球壳12和第二半球壳14共同作为球形机器人的驱动轮和支撑轮。

可选地，功能模组包括：摄像头模组28、投影模组29、扬声器模组和麦克风模组中的至少一种，也可以是光源模组(例如激光光源)、操作模组等。本领域技术人员可以根据实际需要进行设置。

优选地，功能模组位于中间壳26的外表面以下。通过这种方式，功能模组不会与运动表面形成干涉。中间壳26能进行360°的转动，从而扩大了功能模组的角度范围。运动表面可以是但不局限于地面、桌面等。

优选地，第一半球壳12与第二半球壳14相互对称，并且第一半球壳12与第二半球壳14同轴设置。同轴设置是指第一半球壳12和第二半球壳14的转动轴线重合。转动轴线穿过第一半球壳12和第二半球壳14的顶点。顶点即半球壳的圆形投影的圆心位置。优选地，第一、第二半球壳12、14相对于中间壳26对称设置，这使得球形机器人的质量分布更均匀，运动更平稳，外形更规整。此外，球形机器人容易实现直线运动以及转向。

例如，在第一半球壳12和第二半球壳14同向、同速转动时，球形机器人做直线运动；在第一半球壳12和第二半球壳14相向转动时，或者第一半球壳12和第二半球壳14同向、不同速转动时，或者第一半球壳12和第二半球壳14中的一个转动，另一个静止时球形机器人进行转向。

在本发明实施例中，球形机器人的外壳分为第一半球壳12、第二半球壳14和中间壳26。其中，第一半球壳12和第二半球壳14均为半球或者近似半球的结构。第一半球壳12和第二半球壳14共同作为驱动轮和支撑轮，从而使球形机器人发生移动。在中间壳26内表面嵌设有功能模组。这使得球形机器人的集成度高，外形规整，稳定性良好。

此外，功能模组嵌设在中间壳内表面，即使在不工作时，功能模组也可以保持当前的角度。

此外，通过中间壳26转动，能够实现功能模组的任意角度调节。本领域技术人员可以根据实际需要将功能模组设置成任意角度。

此外，功能模组被设置在球形机器人的内部，能够有效防止外部环境对功能模组的损坏。

优选地，球体内置有支撑部22。支撑部22上设置有第一驱动装置，用于驱动中间壳26转动。通过这种方式，能够实现功能模组的角度的自动调节。例如，支撑部22固定不动。中间壳26的外表面位于第一半球壳12的外表面和第二半球壳14的外表面以下，以使中间壳26不与运动表面接触。中间壳26能够相对于第一、第二半球壳12、14转动，以调整摄像头模组28和/或投影模组29的角度。

在一个例子中，第一驱动装置包括第一电机23。在第一电机23的驱动轴上设置有齿轮24。在中间壳26的内表面上设置有与齿轮24啮合的内齿槽241。中间壳26的内齿槽241只位于内表面的一侧，另一侧用于安置功能模组。第一电机23驱动齿轮24转动。齿轮24带动内齿槽241转动，从而使中间壳26发生转动。齿轮24传动的传动比高，这使得中间壳26转动的角度更加准确，功能模组的角度调节更精确。

此外，当第一电机23停止工作时，齿轮24和外齿轮241形成卡合。这样能够更有效地防止功能模组的角度发生变化，使功能模组保持当前的角度。

在其他示例中，第一驱动装置通过皮带传动或者摩擦传动等方式对中间壳26进行传动，同样能够实现功能模组的角度调节以及角度的固定。

在一个例子中，如图3所示，球体内还设置有第二驱动装置。第二驱动装置用于驱动第一半球壳和所述第二半球壳旋转。例如，第二驱动装置被设置在支撑部22上。这使得球形机器人的移动变得容易。

优选地，第二驱动装置包括第二电机13和第三电机15。第二电机13和第三电机15被安装在支撑部22上。第二电机13的驱动轴和第三电机15的驱动轴位于球体的水平转动轴线上。第一半球壳12被安装在第二电机的驱动轴上。第二电机13和第三电机15分别用于驱动第一半球壳12和第二半球壳14绕水平转动轴线旋转。通过这种方式，第一半球壳12和第二半球壳14的能够相互独立地运动，这使得球形机器人的移动更加灵活。

此外，第二驱动装置直接与第一、第二半球壳12、14连接，这使得球形机器人的传动过程的磨擦损耗小，并且噪音低。

本领域技术人员应当理解的是，支撑部以及安装在支撑部上的第一驱动装置、第二驱动装置等元件的质量远大于功能模组的质量，并且上述元件整体的质心的位置低。质心产生的力矩保证支撑部不会发生转动，使得中间壳绕球形机器人的球心转动。

优选地，如图5所示，支撑部22包括基板f、第一安装部c、第二安装部d和第三安装部e。第一安装部c位于基板f的中部并且凸出于基板f。第二安装部d和第三安装部e分别位于基板f的两端，并且沿与第一安装部c相反的方向凸出于基板f。第一驱动装置被安装在第三安装部e。第二电机13被安装在第一安装部c。第三电机15被安装在第二安装部d。该结构使得第一驱动装置和第二驱动装置的安装变得容易。

优选地，基板f、第三安装部e、第一电机23和齿轮24位于水平转动轴线的下方，使得球形机器人的质心位于水平转动轴线的铅垂面上。水平转动轴线的铅垂面是指水平转动轴线的竖直平面。通过这种方式，增强了球形机器人的稳定性。球形机器人质心更低，运动更加平稳。

在一个例子中，如图4所示，在中间壳26的外周面上设置有第一台阶结构251和第二台阶结构271。例如，两个台阶结构由外周面的边缘角度向内凹陷而成。第一台阶结构251位于外周面的靠近第一半球壳12的一侧。第二台阶结构271位于外周面的靠近第二半球壳14的一侧。第一半球壳的外边缘252扣合在第一台阶结构251的外侧。第二半球壳的外边缘272扣合在第二台阶结构271的外侧。

第一半球壳12和第二半球壳14的外边缘252、272与运动表面接触。通过这种方式，中间壳26的两个台阶结构251、271对第一、第二半球壳的外边缘252、272形成支撑，从而使得球形机器人的部分重量可以被中间壳26承担。这样，降低了第一、第二半球壳12、14承受的力，降低了球形机器人的重量对第一、第二半球壳12、14的造成的挤压，延长了第一、第二半球壳12、14的使用寿命。

优选地，在第一半球壳12的外边缘与第一台阶结构151之间，以及第二半球壳14的外边缘与第二台阶结构271之间设置有缓冲元件，用于减小第一半球壳12和第二半球壳14与中间壳26的转动摩擦。

缓冲元件能够减小第一半球壳的外边缘252与第一台阶结构251之间的摩擦，以及第二半球壳的外边缘272与第二台阶结构271之间的摩擦。优选地，缓冲元件为环形塑胶垫。该材料具有优良的耐用性，并且摩擦系数小。例如，环形垫片由特氟龙塑胶制作而成。这种材料能够有效地减小摩擦。

在其他示例中，将缓冲元件替换为轴承。轴承同样能够起到减小摩擦的作用。

在其他示例中，第一半球壳的外边缘和第二半球壳的外边缘均设置有卡槽。中间壳的两侧的边缘分别插入两个卡槽中。这样，同样能够分散第一半球壳和第二半球壳承受的力。同样地，可以在两个半球壳的外边缘与中间壳的边缘之间设置缓冲元件。

在本发明的一个具体实施例中，如图2、3和5所示，球形机器人为监控设备。该球形机器人包括第一半球组件1、中间组件2和第二半球组件3。第一半球组件1包括第一半球壳12、第二电机13和端盖11。第一半球壳12被安装在第二电机13的驱动轴上。例如，通过螺栓连接的方式进行连接。端盖11盖合在第一半球壳12的安装孔的外侧，以形成完整的半球结构。

第二半球组件3与第二半球组件3的结构相同。第二半球组件3包括第二半球壳14、第三电机15和端盖11。第二半球壳14被安装在第三电机15的驱动轴上。例如，通过螺栓连接的方式进行连接。端盖11盖合在第二半球壳14的安装孔的外侧，以形成完整的半球结构。

如图5所示，中间组件2包括中间壳26、电池21、支撑部22、第一电机23、摄像头模组28和投影模组29。电池21和第一电机23被安装在基板f上。第二电机13被安装在第一安装部c。第三电机15被安装在第二安装部d。第一电机23被安装在第三安装部e。电池21用于为三个电机以及其他功能模组供电。

在第一电机23的驱动轴上设置有齿轮24。在中间壳26的内表面设置有内齿槽241。在中间壳26内设置有摄像头模组28和投影模组29。中间壳26包括第一台阶结构251和第二台阶结构271。在第一台阶结构251上套设有第一环形垫片25。在第二台阶结构271上套设有第二环形垫片27。第一半球壳的外边缘252套设在第一环形垫片25的外侧。第二半球壳14套设在第二环形垫片27的外侧。

此外，球形机器人还包括设置在腔体内的无线通信模块、主控制模块和电机驱动模块。无线通信模块和电机驱动模块均与主控制模块连接。无线通信模块通过无线网络协议与本地计算机进行数据交换，以及通过互联网实现球形机器人的远程监控。球形机器人的内部还设置有麦克风模组和扬声器模组，用于接收语音指令和播放语音。主控制模块用于根据无线通信模块接收的控制指令，控制电机驱动模块、其他功能模组工作。电机驱动模块根据主控制模块的指令驱动三个电机13、15、23运动。

当不工作时，球形机器人受到自身重力影响，保持静止。当收到监控周围环境远程命令时，第一半球组件1和第二半球组件3使球形机器人移动。摄像头模组28探测周围环境信息，并发送信息给用户端。当收到投影指令时，第一半球组件1和第二半球组件3调节球形机器人相对位置。主控制模块控制投影模组29工作，以及在用户指令下调节第一电机23转动，以调节投影方向。该球形机器人可以实现较大范围投射方向调截。例如，实现前、后投射方向切换、向天花板方向投射等。

在本发明的一个技术效果为：球形机器人的外壳分为第一半球壳、第二半球壳和中间壳。其中，第一半球壳和第二半球壳均为半球或者近似半球的结构。第一半球壳和第二半球壳共同作为驱动轮和支撑轮，从而使球形机器人发生移动。在中间壳内表面嵌设有功能模组。这使得球形机器人的集成度高，外形规整，稳定性良好。

此外，功能模组嵌设在中间壳内表面，即使在不工作时，功能模组也可以保持当前的角度。

此外，通过中间壳转动，能够实现功能模组的任意角度调节。本领域技术人员可以根据实际需要将功能模组设置成任意角度。

此外，功能模组被设置在球形机器人的内部，能够有效防止外部环境对功能模组的损坏。

虽然已经通过示例对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上示例仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。本发明的范围由所附权利要求来限定。

Claims (8)

1.一种球形机器人，其特征在于，所述球形机器人包括第一半球壳、中间壳和第二半球壳依次连接构成的球体；

所述球体内设置有第二驱动装置，所述第二驱动装置用于驱动所述第一半球壳和所述第二半球壳旋转，以使得所述球形机器人移动；

所述中间壳内表面嵌设有功能模组，所述中间壳被构造为绕所述球体的水平转动轴线、分别相对第一半球壳和第二半球壳转动，以调整所述功能模组的对外朝向角度；

所述球体内置有支撑部，所述支撑部上设置有第一驱动装置，用于驱动所述中间壳转动。

2.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述第一驱动装置包括第一电机，在所述第一电机的驱动轴上设置有齿轮，在所述中间壳的内表面上还设置有与所述齿轮啮合的内齿槽。

3.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，在所述中间壳的外周面上设置有第一台阶结构和第二台阶结构，所述第一台阶结构位于所述外周面的靠近所述第一半球壳的一侧，所述第二台阶结构位于所述外周面的靠近所述第二半球壳的一侧，所述第一半球壳的外边缘扣合在所述第一台阶结构的外侧，所述第二半球壳的外边缘扣合在所述第二台阶结构的外侧。

4.根据权利要求3所述的球形机器人，其特征在于，在所述第一半球壳的外边缘与所述第一台阶结构之间，以及所述第二半球壳的外边缘与所述第二台阶结构之间设置有缓冲元件，用于减小所述第一半球壳和所述第二半球壳与所述中间壳的转动摩擦。

5.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述第一半球壳与所述第二半球壳相互对称，所述第一半球壳与所述第二半球壳同轴设置，转动轴线穿过所述第一半球壳和所述第二半球壳的顶点。

6.根据权利要求1所述的球形机器人，其特征在于，所述第二驱动装置包括第二电机和第三电机，所述第二电机的驱动轴和所述第三电机的驱动轴位于所述球体的水平转动轴线上，所述第一半球壳被安装在所述第二电机的驱动轴上，所述第二半球壳被安装在所述第三电机的驱动轴上，所述第二电机和所述第三电机分别用于驱动所述第一半球壳和所述第二半球壳绕所述水平转动轴线旋转。

7.根据权利要求6所述的球形机器人，其特征在于，所述支撑部包括基板、第一安装部、第二安装部和第三安装部，所述第一安装部位于所述基板的中部并且凸出于所述基板；所述第二安装部和所述第三安装部分别位于所述基板的两端，并且沿与所述第一安装部相反的方向凸出于所述基板；还包括用于驱动所述中间壳转动的第一驱动装置，所述第一驱动装置被安装在所述第三安装部，所述第二电机被安装在所述第一安装部，所述第三电机被安装在所述第二安装部。

8.根据权利要求7所述的球形机器人，其特征在于，所述第一驱动装置为第一电机，在所述第一电机的驱动轴上设置有齿轮，所述基板、所述第三安装部、所述第一电机和所述齿轮位于所述水平转动轴线的下方，使得所述球形机器人的质心位于所述水平转动轴线的铅垂面上。