1.3.2 內驅球形機器人

早在1893年TATE發明了一種球形玩具，并申請了一項專利（U.S.Patent 508558）[21,22]。1909年，美國賓夕法尼亞州的工程師羅伯特塞西爾設計了一種可以沿“zig-zig”路徑運行的機器人玩具，并獲得了專利（U.S.Patent 933623）[23,24]。

1918年，MCFAUL基于鼠籠原理設計了一種球形機器人（U.S.Patent 1263262），球體的運動是靠內驅輪與球殼內壁的摩擦來驅動的[25,26]。在隨后的近一個世紀內，又產生了近80項美國專利。但是，這些專利卻沒有產生有效的實際應用，球形機器人的研制工作也被擱置了數十年。

直到1996年，美國卡耐基梅隆大學徐揚生教授開發了一個單輪穩定行走機器人樣機Gyrover[27]（見圖1.7）。這種單輪行走機器人主要由輪子、擺錘、傾斜機構和陀螺儀組成。其中，輪子是唯一與外界環境接觸的部分，內部驅動結構是Gyrover的主要部分，包括擺錘、傾斜機構和陀螺儀。

擺錘包括一個直流電機和用于驅動輪軸的傳動裝置，隨著擺錘的偏轉，其重力產生反動力矩，從而使驅動機構為Gyrover產生向前的加速度[28-31]。傾斜的伺服機構連接著陀螺儀的旋轉軸和擺錘，旋轉軸垂直于機器人主軸并位于Gyrover的中間，由傾斜的伺服機構產生輪子側向運動所需的轉矩。Gyrover采用陀螺儀保證機器人在高速和低速行走時的穩定性，但是該機器人在靜止時卻不能平穩，一旦停止轉動就會倒在地上，如果沒有人為協助，它就無法再“站起來”繼續運動[32-35]。

芬蘭赫爾辛基工業大學的HALME等人于1996年設計了一種球形機器人[36]（見圖1.8）。它的外部是一個球殼，內部由動力輪、支撐軸、操縱軸、控制箱、平衡轉輪和彈簧組成一個可在球內滾動的單輪驅動機構。采用單電機內部驅動機構（Inside Drive Unit, IDU）驅動機器人運動，球殼與驅動裝置沒有固定連接部分。由控制裝置控制機器人的運動方向，而通過改變驅動電機的旋轉速度可以控制其滾動速度，平衡轉輪用于保持球體的平衡[37,38]。這種采用單輪驅動球形機器人具有結構簡單、造價較低的優點，能夠實現簡單變速的球殼的運動，適合進行球形機器人實驗研究。其缺點是只能在一個方向上進行控制，無法實現系統的全方位運動，長期穩定性和連續性也較差。

繼第一代IDU球形機器人研制成功之后，HALME等人對球形機器人進行了廣泛深入的研究，并不斷對其改進、完善，相繼推出了第二代、第三代球形機器人，樣機模型如圖1.9所示。

1997年，意大利比薩大學的BICCHI等人[39-43]采用了一輛小車取代HALME設計的驅動輪作為驅動裝置（見圖1.10）。這種設計盡管對驅動方式進行了調整，但并沒有做出實質性的改進。

圖1.11所示為美國密歇根州立大學MUKHERJEE等人于1999年研制的Spherobot球形機器人[44,45]。該機器人有一個球形外部框架和一個新穎的內部機構。這種外部框架將提供最大限度的穩定性，內部機構包括中心部件、驅動部件、視覺部件和支撐部件。支撐部件和視覺部件都具有可伸縮支架，運動時可收縮到球體內部，而工作時又可伸到球體之外。驅動部件有四根支柱在球內呈正四面體對稱分布，每根支柱安裝一個配重塊，改變配重塊在支柱上的位置，機器人的質心位置也隨之改變，從而改變球體的運動狀態。理論上，Spherobot球形機器人可以真正實現全方位滾動，但由于其最終運動由配重塊在支柱上的運動和球體本身的運動合成決定，所以建立完善的機器人運動模型有較大的難度，控制也不易于實現。

2002年，伊朗的JAVADI等學者研制了一臺名為August[46,47]的球形機器人（見圖1.12）。機器人的結構類似于MUKHERJEE教授研制的球形機器人的結構，原理也基本一致。在球體內部與球殼固連了呈正四面體空間分布的四根輪輻，每根輪輻配有一套獨立的步進電機驅動系統，輪輻之間的角度為109.47°。步進電機驅動絲杠轉動，并帶動配重塊沿輪輻方向移動，由此實現球形機器人的運動，實現了球形機器人的全向滾動。該球形機器人的優點為平穩性較強，能夠實現全方向滾動。另外，該球形機器人上的照相機可以用于完成一些偵察、探測等任務，使得其功能得到了進一步擴展。該球形機器人的不足之處是照相機的展開點是相對固定的，每次照相機伸出活動時必須用支架固定球形機器人，然后才能開始工作。因此，無法實現球形機器人運動和偵察任務的并行。

2000年，加拿大希爾布魯克大學的MICHAUD等學者研制了一種用于兒童教育的ROBALL-1球形機器人[48,49]，并于2005年研制出第二代ROBALL-2球形機器人[50,51]，如圖1.13所示。該球形機器人采用配重塊的位置變化改變球體重心以驅動球形機器人的運動，如圖1.14所示。

日本SONY公司于2002年3月在第二屆機器人博覽會“Robodex 2002”上推出了一種智能球Q-taro[52]（見圖1.15）。球體的表面與內部驅動部件是獨立設計的，且球殼和內部驅動部件都制造得非常精細，球殼表面可通過內部滾軸驅動，以實現全方位自由滾動。該球形機器人從外觀上看似乎很簡單，但其內部滾軸驅動機構卻相當復雜。該球形機器人上安裝了至少30個傳感器，通過這些傳感器來辨別人的聲音、體溫等周圍環境的變化并做出相應的動作。但其造價十分昂貴，并不能很好地推廣應用。

2005年，瑞典烏普薩拉大學安格斯特朗航空航天中心（Angstrom Aerospace）的BRUHN設計了一款充氣式漫游者球形機器人（Spherical Mobile Investigator for Planetary Surface, SMIPS）[53-55]。該球形機器人不但重量輕、可以長途運行，且耗能少、經濟實用。一節電池能夠行進約100km，時速高達30km/h。當這種充氣式球形探測器登陸時，由內置充氣筒為球形機器人充氙氣。充滿氙氣后，直徑也只有30cm。這種充氣式球形探測器的構想由BRUHN最先提出，如今已被一個工程師小組開發出樣機模型，如圖1.16所示。為避免灰塵進入太陽能電池板，超聲波清潔器會不斷使充氣筒振動，以抖落充氣筒殼體上的灰塵。傳感器、攝像機等零部件均安裝在空心軸里面。內驅錘使球體向一側傾斜，從而驅動機器人滾動和轉向，以搜集地面樣本。此外，球體表面涂著一層電極，用于感知電導、電阻系數等地面信息，通過無線電設備，將其發現的有價值的地形信息發送到它的軌道飛行器或主探測器上。

2006年，日本神戶大學的OTANI等學者研制了一種由陀螺儀組成的球形機器人[56]，如圖1.17所示。陀螺儀依靠電動機驅動，并繞萬向節高速運轉，兩個電動機用來產生垂直于陀螺儀方向的轉動力矩。球形機器人的質心位于其幾何中心，使得球形機器人在水平面內運動時，機器人本身的重力正好作用于與水平面的接觸點，以減少球形機器人的轉動慣量的損耗。

2009年，印度理工學院的JOSHI等人研制了一款教學用球形機器人，其樣機模型如圖1.18所示。

該球形機器人內部垂直安裝了兩個電動機，以驅動兩個互相垂直的轉盤，通過控制電動機的轉速來控制球體的滾動方向、運動的速度和加速度，這款球形機器人與美國特拉華大學BHATTACHARYA及AGRAWAL等人[57]研制的球形機器人，都是基于角動量守恒定律驅動原理設計的。

美國麻省理工學院的DUBOWSKY等人研制了一批只有網球大小的微型機器人[58-61]（見圖1.19）。這些采用彈跳方式運動的球形機器人攜帶著微型照相機、光譜分析儀等傳感器，用于探測星球信息。機器人重量只有第二代的“勇氣號”和“機遇號”火星車的千分之一，未來將有可能同時在火星表面投放上千個這樣的球形機器人，以便對峽谷和火山等復雜地形進行探測。由于該機器人采用了特殊的彈跳方式前進機制，因此，可以很容易地越過各種障礙物。同時，這些具有協作功能的微型機器人既能各司其職，又具備“團隊協作”能力，它們之間可以互相交流信息。這種機器人的組織類似于人體大腦神經網絡，即使機器人有部分損壞，也絕不會影響到整體任務的執行，因為其他眾多探測機器人獲取的數據足以彌補這些損失。

此外，德國[62,63]、法國[64]、瑞士[65]、比利時[66,67]、泰國[68]、新加坡[69]等國家的許多研究者對球形機器人也進行了深入的理論研究[70,71,72,73]，并取得了一定的進展。

球形機器人的研究在我國還是一個比較新的領域，2000年11月，北京航空航天大學丁希侖教授提出了自主球形機器人的設想，設計了一種遙控并具有部分自主功能的球形機器人，并申請了“自主球形機器人”發明專利[74]（申請號：99122494.9，公開號：CN1295907A）；2001年上海交通大學的戴武城博士（導師：楊汝清教授）對球形機器人開展研究[75]，在探討原理的基礎上，對球形機器人進行了運動分析和仿真研究，為我國球形機器人的研究奠定了一定理論基礎。

北京郵電大學孫漢旭教授在2001年10月申請了發明專利“球形機器人的全方位行走機構”（申請號：01118289.X，公開號：CN1318453A），提出了一種球形機器人的全方位行走機構。其基本原理是采用圓錐齒輪和圓柱齒輪副構成的齒輪傳動系，通過兼作配重的電動機的電力驅動，不斷調節其重心位置，從而產生向前或向后的驅動力；采用同樣的方法，通過調節球形機器人的重心位置向左或向右傾斜，就可以產生轉彎力矩，從而實現球形機器人的全向運動[76]。到目前為止，我國在球形機器人方面共公開專利38項，其中，發明專利25項。

2002年，哈爾濱工業大學鄧忠全教授等著手對球形機器人進行研究，設計并制造了一種“球形運動器”的裝置[77-79]（見圖1.20）。該球形運動器的特點是將球體的轉向與直線行走兩種運動狀態分開實現，避免了兩種運動綜合作用時產生的運動耦合現象，從而降低了耦合時所帶來的力學分析和控制上的難度。通過對球形運動器進行動力學分析，得出了其內部各個狀態變量的變化規律。

2005年，以北京郵電大學孫漢旭教授為首的研究小組，在國家自然科學基金項目和教育部科學技術研究基金的資助下，開發了擁有我國自主知識產權、國內首創且具有國際先進水平的BYQ-I型球形機器人[80-82]。2008年，北京郵電大學又以國家863項目為背景，以BYQ-III型球形機器人為基礎對“帶臂”球形機器人系統進行了深入研究，包括結構設計、控制系統設計、穩定平衡分析等，提出了一種新穎移動機器人避障及多機器人協同路徑規劃算法，并研制出BYQ-IV型球形機器人[83-85]（見圖1.21）。

2009年，國防科技大學羅自榮、尚建榮、潘中銀等[86]研制了一種可拋擲的多運動態球形機器人，如圖1.22所示。該球形機器人具有球形、兩輪和跳躍3種運動形態，能通過拋擲、布撒等方式接近目標，可與便攜式機器人系統（MPRS）構成子母式系統，具有機動、靈活和高效的優點。可用于戰場偵察、目標指示和跟蹤、直接對敵實施精確打擊等；也可用于安全監視、防爆、反恐、救援等，具有廣泛的應用前景。

另外，北京航空航天大學[87,88]、蘇州大學[89]、西安電子科技大學[90]、成都大學[91]等院校在球形機器人研究方面也做了許多工作[92-94]，取得了不少有價值的研究成果。