CN113443039A - 球形移动机器人 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形移动机器人，包括：环形支架；两个半球壳体，分设于环形支架两端并可被驱动相对环形支架转动；成像组件，设于环形支架并位于两半球壳体之间，用于在机器人行走过程中沿机器人行进方向获取机器人前方的图像。通过将两个半球壳体设置成可转动安装在环形支架两端，成像组件安装于环形支架并从两个半球壳体之间露出。两个半球壳体可被驱动转动，从而实现球形行走，该行走运动以滚动为主，可灵活地转向，迅速调整运行状态，具有良好的动态和静态平衡性，运动方向可控性好。成像组件安装于两个半球壳体之间，可以在机器人行走过程中获取机器人前方的图像，拍摄视野良好，可实现大范围的图像监测。

Description

球形移动机器人

技术领域

本发明属于机器人领域，特别是一种球形移动机器人。

背景技术

现有的移动机器人，大致分为以下几种类型：轮式机器人，仿生机器人(具有双足、四足、八足等多种型号)，及其他特殊类型。轮式机器人多为小车结构，其他特殊类型有履带、拜纳姆轮、仿生爬行等。

其中，轮式机器人较为常见，多为小车结构，地形限制明显，适用于平坦地面。双足仿生机器人平衡调整难度大，多足仿生机器人步态调整困难。以上的移动机器人由于各种不足，在探索特殊环境，如沙丘、雪地、冰缝等时，存在越障和行进困难的问题。

发明内容

本发明的目的在于改善现有技术的缺点，提供一种可适应多种地形行走，适用范围广的球形移动机器人。

其技术方案如下：

一种球形移动机器人，包括：环形支架；两个半球壳体，分设于环形支架两端并可被驱动相对环形支架转动；成像组件，设于环形支架并位于两半球壳体之间，用于在机器人行走过程中沿机器人行进方向获取机器人前方的图像。

在其中一个实施例中，所述环形支架上固定有安装轴，所述安装轴位于半球壳体顶点与球心连线的直线上，所述半球壳体的顶部开设有轴承安装孔，其内固定有轴承，所述轴承套在所述安装轴的末端。

在其中一个实施例中，所述半球壳体包括锥台球壳和球面端盖，所述球面端盖与锥台球壳较小的一端相接，球面端盖开设有所述轴承安装孔。

在其中一个实施例中，所述球形移动机器人还包括驱动装置，所述驱动装置包括电机和齿轮，所述电机固定于所述环形支架，所述齿轮套接在电机的输出轴上；所述锥台球壳设有环形内齿，所述齿轮与环形内齿啮合。

在其中一个实施例中，所述驱动装置还包括环形齿圈，所述锥台球壳较小的一端向内延伸形成一安装台，所述环形齿圈固定于所述安装台上，环形齿圈的内齿构成所述环形内齿。

在其中一个实施例中，所述安装台上均匀地分布有多个第一定位块，所述球面端盖面向锥台球壳的一侧设有多个与第一定位块一一对应的第二定位块，所述环形齿圈外周开设有多个定位槽，所述第一定位块和第二定位块沿环形齿圈轴线方向卡置于所述定位槽内

在其中一个实施例中，所述安装台开设有螺钉孔，所述环形齿圈开设有贯通两端的避让孔，所述球面端盖内侧开设有螺纹孔，以借助螺钉穿过螺钉孔、避让孔连接于螺纹孔将锥台球壳与环形齿圈和球面端盖固定，其中，所述螺纹孔为盲孔。

在其中一个实施例中，所述球形移动机器人还包括控制模块、通信模块和电源模块，所述控制模块、通信模块和电源模块均固定于环形支架，所述电机、成像组件和通信模块均电连接于所述控制模块，所述电源模块为控制模块、电机、成像组件和通信模块供电。

在其中一个实施例中，所述成像组件包括摄像头，所述环形支架在两半球壳体之间的位置开设有摄像头安装孔，所述摄像头嵌设在所述摄像头安装孔内。

在其中一个实施例中，所述球形移动机器人还包括与控制模块电连接的陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于获取球形移动机器人的姿态信息以供控制模块调整摄像头的位置。

本发明所提供的技术方案具有以下的优点及效果：所述球形移动机器人中，通过将两个半球壳体设置成可转动安装在环形支架两端，成像组件安装于环形支架并从两个半球壳体之间露出。两个半球壳体可被驱动转动，从而实现球形行走，该行走运动以滚动为主，相比于其他行走形式的方案，可更灵活地转向，迅速调整运行状态，具有良好的动态和静态平衡性，运动方向可控性好。成像组件安装于两个半球壳体之间，可以在机器人行走过程中获取机器人前方的图像，拍摄视野良好，可实现大范围的图像监测。

附图说明

此处的附图，示出了本发明所述技术方案的具体实例，并与具体实施方式构成说明书的一部分，用于解释本发明的技术方案、原理及效果。

除非特别说明或另有定义，不同附图中，相同的附图标记代表相同或相似的技术特征，对于相同或相似的技术特征，也可能会采用不同的附图标记进行表示。

图1是本发明一种实施例提供的球形移动机器人的立体结构示意图；

图2是本发明一种实施例提供的环形支架的立体结构示意图；

图3是本发明一种实施例提供的半球壳体的立体结构示意图；

图4是本发明一种实施例提供的球形移动机器人的分解图；

图5是本发明图4所示球形移动机器人中球面端盖的立体结构示意图；

图6是本发明一种实施例提供的球形移动机器人去掉锥台球壳的结构示意图；

图7是本发明一种实施例提供的中控支架的结构示意图；

图8是本发明一种实施例提供的驱动装置的结构示意图；

附图标记说明：

10、环形支架；11、圆环主体；111、摄像头安装孔；12、安装轴；13、配重架；131、配重块；132、电机安装孔；14、安装位；

20、半球壳体；21、锥台球壳；211、环形内齿；212、安装台；213、第一定位块；214、螺钉孔；22、球面端盖；221、轴承安装孔；222、螺纹孔；223、第二定位块；23、轴承；

30、摄像头；

40、驱动装置；41、电机；42齿轮；43、环形齿圈；431、内齿；432、定位槽；44、支撑块；45、连接板；

50、控制模块；

60、通信模块；

70、电源模块；

80、陀螺仪传感器；

100、球形移动机器人

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照说明书附图对本发明的具体实施例进行更详细的描述。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的所有技术和科学术语与所属技术领域的技术人员通常理解的含义相同。在结合本发明的技术方案以现实的场景的情况下，本文所使用的所有技术和科学术语也可以具有与实现本发明的技术方案的目的相对应的含义。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的“第一、第二…”仅仅是用于对名称的区分，不代表具体的数量或顺序。

除非特别说明或另有定义，本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

需要说明的是，当元件被认为“固定于”另一个元件，它可以是直接固定在另一个元件上，也可以是存在居中的元件；当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件，也可以是同时存在居中元件；当一个元件被认为是“安装在”另一个元件，它可以是直接安装在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。当一个元件被认为是“设在”另一个元件，它可以是直接设在另一个元件，也可以是同时存在居中元件。

如图1至图8所示，本发明涉及一种球形移动机器人100，可适用于环境探测，包括环形支架10、两个半球壳体20、驱动装置40、成像组件、通信模块、控制模块50、陀螺仪传感器和电源模块，所述半球壳体20、驱动装置40、成像组件、通信模块、控制模块50、陀螺仪传感器和电源模块均连接于所述环形支架10。

请结合图2，所述环形支架10包括圆环主体11、均与圆环主体11连接的安装轴12及配重架13。所述圆环主体11开设有摄像头安装孔111和开关键安装孔，所述摄像头安装孔111和开关键安装孔分别位于圆环主体11直径方向的两端。所述安装轴12设有两根，分别沿圆环主体11的两端延伸，两根安装轴12对称设置并且安装轴12的中心线与圆环主体11的轴线重合。所述配重架13由交错设在圆环主体11内的加强筋和配重块131构成，用于设置驱动装置40、通信模块、控制模块50和电源模块等，所述配重架13的重心位于摄像头安装孔111和开关键安装孔的中心连线的一侧。

请结合图1至图3，两个所述半球壳体20对称地安装在所述圆环主体11的两端，并均可被驱动相对圆环主体11转动，另外，所述半球壳体20的球心到顶点的连线与圆环主体11的轴线重合。

可选地，每个半球壳体20包括锥台球壳21、球面端盖22和轴承23，所述锥台球壳21的外侧面为球面，其较小的一端设有环形内齿211，所述环形内齿可与驱动装置40的外齿啮合而被驱动转动；所述球面端盖22的外侧为球面，其与锥台球壳21较小的一端相接，所述球面端盖22开设有轴承23安装孔，所述轴承23安装孔为由外侧向内侧开设的台阶孔，并且台阶孔朝内的一端的孔径小于轴承23的外径；所述轴承23设于所述轴承23安装孔内，并且一端与台阶孔底部抵接，另一端不凸出于球面端盖22。

两个半球壳体20以其锥台球壳21较大的一端相向地安装在所述圆环主体11相对的两端，并使摄像头安装孔111和开关键安装孔外露于两半球壳体20之间，所述圆环主体11的端部抵紧在锥台球壳21的内侧；所述轴承23套住所述安装轴12的末端，从而完成半球壳体20与环形支架10的安装，使两半球壳体20的顶点连线与圆环主体11的轴线重合，使得半球壳体20可被驱动绕安装轴12转动。

其中，由于圆环主体11端部与锥台球壳21抵紧，锥台球壳21与球面端盖22相接，轴承23与球面端盖22抵接，轴承23还套在安装轴12上，实现了半球壳体20与环形支架10的紧密配合，避免半球壳体20在转动过程中沿安装轴12轴向蹿动。

请结合图5和图6，另外，球面端盖22内侧环绕轴承安装孔221形成锥台凸起，用于增加球面端盖22中心位置的厚度，从而提高球面端盖22的强度，避免球面端盖22受力变形甚至损坏。

可选地，所述成像组件包括摄像头30及其匹配电路，所述摄像头30安装在所述摄像头安装孔111内，用于获取机器人前方的图像，所述匹配电路与摄像头30和控制模块50电连接，用于对摄像头30所拍摄的图像进行预处理，以供控制模块50进一步处理后输出。

可选地，所述驱动装置40设有两套，每套驱动装置40包括一个电机41和一个齿轮42，所述电机41固定于所述配重架13并与控制模块50电连接，两个所述电机41的输出轴沿圆环主体11的轴向延伸，并且两根输出轴对称设置，所述齿轮42套接在所述电机41的输出轴上并啮合于所述环形内齿211，从而可通过电机41的输出轴带动齿轮转动，进而带动半球壳体20转动，由此，通过两套驱动装置40对应驱动两个半球壳体20转动。

在本实施方式中，通过控制两个电机41的转速和转向，实现机器人的移动控制。当两个电机41的转向和转速均相同时，两个半球壳体20同向同速转动，从而使机器人沿直线移动；当两个电机41转速不同或转向不同时，两个半球壳体20之间差速转动，机器人可实现转向。

本发明中，通过驱动装置40驱动两个半球壳体20相对环形支架10转动，机器人行走方式为滚动式，可突破各种地形的限制，实现多种环境的越障功能，摄像头30安装在两个半球壳体20之间，可在机器人行走时沿行进路线拍摄机器人前方的图像，其中，由于摄像头30不受半球壳体20的遮挡，可获取机器人前方大范围的图像，实现图像监控。

请结合图4至图6，在一种实施方式中，驱动装置40还包括环形齿圈43，所述环形齿圈的内齿431构成所述环形内齿211；所述半球壳体20中，锥台球壳21较小的一端向内延伸形成安装台212，所述安装台开设有四个螺钉孔，所述环形齿圈与螺钉孔对应的位置设有贯通两端面的避让孔，所述球面端盖22内侧与螺钉孔对应的位置设有螺纹孔222，从而可借助螺钉穿过螺钉孔、避让孔连接于螺纹孔的方式将锥台球壳21、环形齿圈和球面端盖22连接成一体。当螺钉孔为盲孔时，螺钉不外露于球面端盖22，使得半球壳体20的外观更为美观。

为了方便半球壳体20的组装，所述锥台球壳21、环形齿圈和球面端盖22之间设置有相配合的定位结构。具体地，所述安装台212上沿圆周方向均匀分布多个，例如八个第一定位块213。所述环形齿圈与第一定位块对应的位置处开设有与第一定位块相配合的定位槽432，所述定位槽沿环形齿圈43侧面向轴心方向延伸，并且贯穿环形齿圈两端面。所述球面端盖22内侧对应定位槽设有与定位槽相配合的第二定位块。在所述锥台球壳21、环形齿圈43和球面端盖22相互组装时，所述第一定位块213、第二定位块223均与定位槽一一对应嵌套设置，并且一个第一定位块和一个第二定位块沿环形齿圈轴向嵌设在一个定位槽内。

由此，通过定位槽与定位块相配合嵌套的方式实现环形齿圈与锥台球壳21和球面端盖22之间的定位，方便环形齿圈与锥台球壳21和球面端盖22的组装，也避免三者之间发生相对转动，提高机器人移动控制的准确度。

请结合图3，在另一种实施方式中，所述半球壳体20一体成型，其在顶端开设轴承安装孔221，在轴承23内设置轴承23，半球壳体20内还形成环形的台阶，所述台阶的侧面形成所述环形内齿。

请结合图2，在一种实施方式中，所述配重架13开设有电机安装孔132，所述电机安装孔132开设在配重架13远离安装轴12的位置处，并且所述电机安装孔132在沿圆环主体11轴向的方向上贯通所述配重架13。

请结合图7和图8，所述驱动装置40还包括一对支撑块44和连接板45，所述一对支撑块44在所述电机安装孔132相对的两侧与配重架13固定，所述连接板45跨接在该对支撑块44之间，所述电机41的壳体位于该对支撑块之间并局部收容于所述电机安装孔132中，电机41的输出轴穿过所述连接板45与齿轮42相互固定。

可选地，所述配重架13开设有螺纹孔，所述支撑块和连接板均开设有穿孔，从而可借助螺钉依次穿过连接板和支撑块的穿孔连接在螺纹孔的方式实现支撑块、连接板和配重架13的固定。

在该实施方式中，两套驱动装置40的两个电机41从电机安装孔132的两端局部置于所述电机安装孔132内，从而降低驱动装置40相对配重架13的高度，也即减小驱动装置40与配重架13的总高度，使得两锥台球壳的环形内齿之间的间距相对较小，有利于机器人的小型化。

请结合图4，所述控制模块50包括控制板和与控制板电连接的开关键(图未示，下同)，所述控制板固定于所述配重架13，所述开关键嵌设于所述开关键安装孔内，以可被按动地实现机器人的开机和关机。

所述通信模块60包括Wi F i模块，所述Wi F i模块靠近所述摄像头30安装于所述配重架13并与控制板电连接，用于支持机器人与外部设备通信，以将摄像头30所拍摄的图像输出到外设或者接受外设的控制指令执行新的任务。

本发明的球形移动机器人还具有照明模块(图未示)，该照明模块包括LED灯，所述圆环主体11在靠近摄像头安装孔111位置开设有LED灯安装孔，用于将LED灯安装在摄像头30附近，用于提高环境亮度，提高摄像头30所获取的图像质量。

所述陀螺仪传感器80于控制板与开关键相对的一侧与控制板固定并电连接，用于获取机器人的姿态信息并输出对应的电信号，从而供控制模块50基于该姿态信息的电信号调节摄像头30的位置，保证图像的拍摄效果。

所述电源模块70包括电池及其匹配电路，所述电池优选为锂电池，所述匹配电路包括充电控制单元和放电控制单元，所述圆环主体11设有可电连接到充电控制单元的充电接口，所述放电控制单元与控制板、电机41、摄像头30、WiFi模块和照明模块电连接，用于对控制板、电机41和LED灯进行供电。

所述电源模块70固定于所述配重架13，并且电源模块位于所述WiFi模块背对摄像头30的一侧。

可选地，所述配重架13上形成多个安装位14，所述控制板、电源模块、Wi F i模块、陀螺仪传感器均安装在对应安装位14上，使得环形支架10构成一中控支架，并且其重心位于摄像头30和开关键连线的下方的中间位置，使得摄像头30在机器人行走时大体上保持水平，从而保证成像质量。

应当理解地，本发明的球形机器人整体上是一种相对封闭的结构，即在半球壳体20与环形支架10的连接处、轴承23与球面端盖22和安装轴12的连接处、环形支架10上的孔位周围均进行防水密封处理，用于提高球形机器人的防水性能，对内部的零部件例如电机41、控制模块50、Wi F i模块、电池模块等起保护作用，以适应更多场景的使用，例如可执行水下环境探测任务。

引用图纸说明时，是对出现的新特征进行说明；为了避免重复引用图纸导致描述不够简洁，在表述清楚的情况下已描述的特征，图纸不再一一引用。

以上实施例的目的，是对本发明的技术方案进行示例性的再现与推导，并以此完整的描述本发明的技术方案、目的及效果，其目的是使公众对本发明的公开内容的理解更加透彻、全面，并不以此限定本发明的保护范围。

以上实施例也并非是基于本发明的穷尽性列举，在此之外，还可以存在多个未列出的其他实施方式。在不违反本发明构思的基础上所作的任何替换与改进，均属本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种球形移动机器人，其特征在于，包括：

环形支架；

两个半球壳体，分设于环形支架两端并可被驱动相对环形支架转动；

成像组件，设于环形支架上并位于两半球壳体之间，用于在机器人行走过程中沿机器人行进方向获取机器人前方的图像。

2.如权利要求1所述的球形移动机器人，其特征在于，所述环形支架上固定有安装轴，所述安装轴位于半球壳体的顶点与球心连线的直线上，所述半球壳体的顶部开设有轴承安装孔，其内固定有轴承，所述轴承套在所述安装轴的末端。

3.如权利要求2所述的球形移动机器人，其特征在于，所述半球壳体包括锥台球壳和球面端盖，所述球面端盖与锥台球壳较小的一端相接，球面端盖开设有所述轴承安装孔。

4.如权利要求3所述的球形移动机器人，其特征在于，所述球形移动机器人还包括驱动装置，所述驱动装置包括电机和齿轮，所述电机固定于所述环形支架，所述齿轮套接在电机的输出轴上；

所述锥台球壳设有环形内齿，所述齿轮与环形内齿啮合。

5.如权利要求4所述的球形移动机器人，其特征在于，所述驱动装置还包括环形齿圈，所述锥台球壳较小的一端向内延伸形成一安装台，所述环形齿圈固定于所述安装台上，环形齿圈的内齿构成所述环形内齿。

6.如权利要求5所述的球形移动机器人，其特征在于，所述安装台上均匀地分布有多个第一定位块，所述球面端盖面向锥台球壳的一侧设有多个与第一定位块一一对应的第二定位块，所述环形齿圈外周开设有多个定位槽，所述第一定位块和第二定位块沿环形齿圈轴线方向卡置于所述定位槽内。

7.如权利要求5所述的球形移动机器人，其特征在于，所述安装台开设有螺钉孔，所述环形齿圈开设有贯通两端的避让孔，所述球面端盖内侧开设有螺纹孔，以借助螺钉穿过螺钉孔、避让孔连接于螺纹孔将锥台球壳与环形齿圈和球面端盖固定，其中，所述螺纹孔为盲孔。

8.如权利要求4所述的球形移动机器人，其特征在于，所述球形移动机器人还包括控制模块、通信模块和电源模块，所述控制模块、通信模块和电源模块均固定于环形支架，所述电机、成像组件和通信模块均电连接于所述控制模块，所述电源模块为控制模块、电机、成像组件和通信模块供电。

9.如权利要求8所述的球形移动机器人，其特征在于，所述成像组件包括摄像头，所述环形支架在两半球壳体之间的位置开设有摄像头安装孔，所述摄像头嵌设在所述摄像头安装孔内。

10.如权利要求9所述的球形移动机器人，其特征在于，所述球形移动机器人还包括与控制模块电连接的陀螺仪传感器，所述陀螺仪传感器用于获取球形移动机器人的姿态信息以供控制模块调整摄像头的位置。

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