球形機器人未來發展方向研究

劉家念

摘 要：球形機器人具有其他往輪式和軌道式機器人所不具備的優勢，其更能夠滿足人們對機器人運動靈活性和惡劣環境適應能力的嚴苛要求。國內外對球形機器人的研究已在運動建模、姿態控制、軌跡跟蹤等領域取得了一定的研究成果。根據球形機器人的特性，該類機器人主要應用在管道、溝渠等狹小空間的檢測上；同時也可以開發為孩子的玩具，對兒童沒有損害；由于完全密閉的球殼，可以用在極端環境偵查中。

關鍵詞：球形機器人；結構原理；發展狀況；應用前景

隨著科技的不斷發展，機器人已經成為各界人士所關注的話題之一。因各領域的不同對機器人的要求也不盡相同，為適應各式各樣的需求，人們提出了一種新型機器人——球形機器人。

1 球形機器人概況

球形移動機器人是指一類將運動執行機構、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內的系統的總稱。球形機器人作為一種微小型移動機器人，具有特點如下：

（1）球形機器人具有良好的動態和靜態平衡性，運動方向可控性好，一旦運動失態也能很快自我恢復。

（2）球形機器人具有很好的密封性，若球形體積能夠給予它足夠的浮力，它便可以在水面上運動，具有水陸兩棲功能，在兩棲用機器人領域有著兩棲應用的前景。

（3）球形機器人的適應性強，可以行駛在無人、沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣環境中運行，無論是粗糙還是光滑的地形，球形機器人都能順利滾過，沙地、雪地等相對柔軟的地面也不會影響其靈活性。

（4）球形機器人能耗低，由于其在滾動運行過程中受到的阻力小，能量的消耗相對較低，可應用于行星探測、環境監測、國防裝備等長時間操作的領域。

球形機器人具有其他往輪式和軌道式機器人所不具備的優勢，其更能夠滿足人們對機器人運動靈活性和惡劣環境適應能力的嚴苛要求。

2 球形機器人的結構原理

球形機器人的主要結構包括球體和行走兩大部分，驅動電動機9通過圓柱小齒輪10帶動從動機構6、7、8繞軸5轉動產生偏心力矩。8、9構成整個球形機器人的配重，促使球體往前滾動。轉彎步進電動機8帶動齒輪11繞著13轉動，同時齒輪15繞齒輪14轉動，從而帶動整個機構支撐軸轉動，實現轉彎運動。其結構原理圖如圖1所示：

球形機器人是一種以滾動方式行走的移動機器人。球形機器人在靜態和動態情況下都可以保持系統的平衡與穩定，運動連續性強，運動速度快，轉向能力強。在運動中，若發生碰撞可以自行恢復至穩定狀態。

3 球形機器人國內外發展現狀

3.1 國外球形機器人發展狀況

國外對球形機器人的研究較早，至今已有十幾年，球形機器人最早的研究是從芬蘭赫爾辛基科技大學的海爾姆教授開始的，隨后，美國、日本、伊朗、加拿大、瑞典等國家也相繼開展了球形機器人的研究，就目前的研究成果來看，國外的技術相對成熟。

1996年世界上出現了首例球形機器人-Rollo，它的驅動方式由主動輪和被動輪組成，主動輪位于球形內部，被動輪處于另一側，并帶有彈簧裝置。主動輪和被動輪均與球殼直接接觸，主動輪圍繞安裝軸與主軸旋轉，其他組件安裝在與主軸固連的圓臺上，這樣既增大了球殼與主動輪之間的壓力，也可以增加運動時主動輪與球殼間的摩擦力，主動輪通過繞安裝軸轉動來使機器人向前移動，在圍繞主軸轉動過程中，驅動單元產生的慣性力通過摩擦傳遞到球殼，從而實現機器人的轉向，這種驅動稱為轉動體驅動。

意大利比薩大學的Antonio Bicchi于1997年設計了球形機器人Sphericle。這種機器人具備球-車運動系統，即在球體的內部放置一個四輪小車，小車上裝有各種傳感器、蓄電池、電動機和控制系統，這些設備構成了配重質量塊，增大了車輪與球殼之間的摩擦力，機器人前進靠車輪的同步轉動來實現，機器人轉向靠車輪差速轉動來實現。這種驅動稱之為車驅動。這種機器人可以連續運動，但是其適應能力具有一定的局限性，例如當球體的運動軌道不夠平坦時，由于顛簸和振動使小車的車輪與殼體之間產生間隙，就會使機器人偏離運動軌跡；當車輪轉動速度過快時，殼體與車輪間出現滑動現象也會影響機器人的移動速度；而當球體與物體發生碰撞時，小車一旦與球體分離，機器人就會失去運動的動能。

還有一種驅動叫作移動質量塊驅動。2002年，Amir Homayoun A.和Puyan Mo jabi共同開發了一種球形運動機器人——August。這種全方位球形機器人也叫四驅動球形機器人，它能夠全方位運動，由蓄電池供電，控制系統由球心和球殼兩部分組成，通過無線電控制機電系統來完成運行和操作。之所以叫做四驅動機器人，是因為Augus由4個質量塊和4個傳動螺桿構成，并且每根螺桿各有1套獨立的驅動系統，每個質量塊靠步進電機的驅動力在導軌上移動。由于質量塊的移動使機器人整體重心的位置得到了改變，機器人就通過這種偏心力矩的作用原理向前移動。后來Ranjan Mukherjee等人設計了一種Spherobot球形機器人的基本結構，Spherobot采用的驅動方式也是移動質量塊驅動方式，但是這些人并沒有做出實體樣機，只是建立了這種機器人的數學模型、研究了這種機器人的路徑規劃方法。通過對移動質量塊驅動的不斷研究，這種驅動方式能夠實現球形機器人的全方位行走，但是通過控制4個配重塊的協調移動來實現全向行走的難度相當大。同時配重塊在球殼內的分布方式影響了驅動力矩的質量，進而影響了機器人運動速度。

日本的研究者還提出了形變式驅動和陀螺控制姿態。形變驅動是機器人的內部采用用記憶合金支撐，外殼采用橡膠材質。記憶合金恢復形變時的能量為機器人提供能量。陀螺驅動的方法主要由陀螺、萬向節和滾珠組成。

3.2 國內球形機器人發展狀況

國內球形機器人研究較晚，但是發展速度很快，其中國內高校對球形機器人的研究做出了杰出的貢獻。例如哈爾濱工業大學研制的雙驅動球形機器人，主要通過理論分析，仿真模擬和實驗驗證等手段，研制出一種新型的雙驅動球形機器人。這種機器人在球體內部的同一水平線上放置兩個直流電機。由于在球體內部缺乏一個相對穩定平臺，驅動電機的輸出力矩使球形機器人的重心發生偏離，機器人驅動球體前向滾動的直接力矩來源于相對接觸點的重力力矩。這種球形機器人的轉向通過齒輪齒條嚙合的方式帶動球體內部構件轉向來實現。西安電子科技大學研制出一種推進裝置類似甲烷分子結構的球形機器人，它的輪輻上裝有步進電機，該步進電機既是球形機器人的驅動裝置又是配重體。北京航空航天大學研制出的偏心質量塊驅動球形機器人，通過改變球形機器人的重心位置而產生偏心力矩實現機器人的向前運行。

4 球形機器人應用前景

根據球形機器人的特性，該類機器人主要應用在管道、溝渠等狹小空間的檢測上；同時也可以開發為孩子的玩具，對兒童沒有損害；由于完全密閉的球殼，可以用在極端環境偵查中，例如核電站、反恐、探測外太空星球等等。

參考文獻

[1]李團結，劉衛剛.風力驅動球形機器人動力學[J].航空學報，2010，31（2）：426-430.

[2]岳明，劉榮強，鄧宗全.庫倫摩擦力對球形機器人運動狀態影響的分析[J].哈爾濱工業大學學報，2007，7（17）：39.