2.1 內驅球形機器人的原理及分類

內驅球形機器人的驅動力大多依靠內部驅動裝置改變自身重心的位置及外界摩擦力提供，球形機器人所有的驅動裝置、動力源、各種傳感器和執行機構等都置于球殼的內部。國內外球形機器人研究者提出了多種球形機器人機構，其工作原理都是基于通過一種能引起不平衡的內部驅動裝置IDU（Inside Drive Unit）的運動來破壞系統的平衡的，進而使系統產生運動，改變IDU的運動方向和速度可以控制球形機器人的行走方向和速度。根據內驅機構、約束性質及IDU的原理不同，球形機器人的實現方式、工作原理及分類方法也有很大的差異。

（1）按內驅球形機器人的驅動主動力數量，可將現有內驅動球形機器人的驅動方案歸納為三類，即二驅動、三驅動和四驅動球形機器人。

HALME等人在1996年研制的單輪驅動球形機器人[95,96]、BICCHI等人在1997年研制的小車驅動球形機器人[97,98]和MICHAUD等人在2000年研制的Roball球形機器人[99-101]的共同特點是都采用兩個輸入，屬于二驅動球形機器人。北京郵電大學孫漢旭教授等人在2000年研制的球形機器人[102]及西安電子科技大學李團結教授等人[103,104]在2006年研制的球形機器人也屬于二驅動球形機器人。OTANI等人在2006年研制的陀螺儀驅動球形機器人、西安電子科技大學李團結教授等人在2009年研制的內外驅動球形機器人[105]均屬于三驅動球形機器人。MUKHERJEE等人在1999年研制的球形機器人[106,107]、JAVADI等人在2002年研制的球形機器人和上海交通大學金康進等人[108,109]研制的球形機器人的驅動原理都是靠四個配重塊沿四根輻條運動改變球形機器人的質心位置的，屬于四驅動球形機器人。

（2）按球形機器人的約束性質，可分為兩類：非完整約束球形機器人和完整約束球形機器人。

前文所述的單輪驅動和小車塊驅動方式的共同特點是配重塊獨立于球殼，通過輪子沿球殼內表面的滾動實現配重塊相對球殼的運動，單輪與球殼之間的約束為非完整約束。而MUKHERJEE等人在1999年研制的球形機器人及JAVADI等人在2002年研制的球形機器人配重塊與球殼之間的約束屬于完整約束。非完整約束使得球形機器人的力學模型復雜、控制困難；而完整約束的球形機器人的力學模型相對簡單，且控制容易實現。

（3）按內驅的工作原理，可將內驅球形機器人歸納為兩類：質心改變驅動的球形機器人和角動量守恒定律驅動的球形機器人。

①質心改變原理。通過內部驅動單元的重心偏移，使其重心始終處在球形機器人幾何中心前方的一段距離，由此產生向前的驅動力矩，以克服機器人運動時所受到的各種阻力，從而驅動球形機器人向前滾動；通過控制其重心偏移方向，即可控制機器人的運動方向。具體實現的方式可通過兩個電動機分別驅動兩組轉動機構，帶動相應的配重塊偏轉，以改變其重心位置，使得整個球形機器人朝著所期望的方向滾動。同理，也可以通過調節其重心向兩側偏斜，以產生轉彎所需要的力矩，從而實現球形機器人的轉向運動。如果運動中的阻力較小，則可以把配重塊的方向看成一直是下垂的，實際的工作狀態是兩個配重塊稍微前傾，以提供足夠的滾動轉矩。加拿大的MICHAUD、瑞典的BRUHN、我國北京航空航天大學戰強等人研制的球形機器人均屬于這一類[110,111]。

②角動量守恒定律。美國特拉華大學SUNIL和SHOUROV利用角動量守恒定律設計了一種自主球形機器人，并于2002年7月申報了一項美國專利[112]，該機器人在球體內部至少包含兩套轉動機構。根據角動量守恒定律，當轉動機構轉動時，球形機器人將逆向滾動，由此，通過控制轉動機構的轉速和旋轉方向即可達到控制球體的滾動方向和運動速度的目的。