1.1 研究背景

目前，世界上對機器人尚無統一的嚴格定義，美國機器人協會（Robot Institute of American）將機器人定義為：“機器人是一種用來移動材料、零件、工具或特定裝置的可重新編程的多功能操作器，可以通過改變編程來執行不同的任務[2]。”由于機器人對周圍環境和任務要求具有很強的適應性，所以越來越多的工農業領域利用機器人來完成各種生產作業任務。機器人已廣泛地應用于汽車、機械加工、電子及塑料制品等工業領域中。隨著科學技術的發展，機器人的應用領域也隨之不斷擴大。在工業生產中，焊接機器人、裝配機器人、噴涂機器人及搬運機器人等已被大量采用。同時，機器人也成為人類探索與開發宇宙、海洋以及地下未知世界的有力工具，如利用各種艙內作業機器人、登陸星球探測車和作業車等開發和利用外界星球的物質資源；利用水下機器人進行海底探測與開發、海洋資源開采與利用、水下作業和海洋救生等。另外，在未來戰爭中，機器人將起到越來越重要的作用，如掃雷機器人、偵察機器人等。可以說，在當今世界上，機器人的應用已無處不在[3]。

在機器人的應用領域，存在地形復雜、環境多變的情形，如各式各樣的障礙物或溝渠等，這就要求機器人具有很強的機動性和靈活性。因此，設計開發一種行走速度快、越野性能好并能全方位運動的機器人變得日益重要，一種新型的機器人——球形機器人應運而生[4]。由于球形機器人所有零部件都封裝在一個球殼內，因此，其內部部件可以得到球殼的可靠保護；而機器人的球形結構可以使其內部體積利用率最大化，也可以抵抗外部碰觸或內部過壓，這種特性對于水下或太空應用是非常有利的[5]。

20世紀90年代，美國、芬蘭等國家的研究者開始著手研究、試制球形機器人，球形機器人的研究逐漸為各國研究者所重視，已成為國際上一個新興的研究熱點。盡管國內外已有不少成功設計的球形機器人，其驅動機構也多種多樣，但在球形機器人研究中，其驅動原理尚未產生突破性進展。迄今為止，還沒有一種驅動方式為大家所公推，有關球形機器人的結構和驅動方式的研究，還沒有一套成熟的理論體系[6]。

球形機器人的理論基礎是非完整約束系統，近些年來對非完整約束系統的研究逐漸成為一個熱點研究領域。非完整約束系統的廣義坐標雖然是相互獨立的，但廣義速度之間并非相互獨立，因此，它們必須滿足非完整約束的條件。非完整現象可用于設計有某種特定特征和性能要求的機械系統。在實際應用中，有很多機器人涉及這種系統，如輪式機器人、太空飛船、水下機器人等。非完整約束系統的最大優點是可以在機械系統中用比較少的執行部件控制數量更多的結構，這對于減少系統的重量和成本是有幫助的，并可以提高系統的可靠性。總之，非完整約束系統是一種有重要意義的非線性系統，對于一些用近似的線性理論無法解決的非線性問題，應用非完整約束系統可以在不破壞系統結構特性的前提下給出比較滿意的解決方案。

球形機器人的控制策略也是當今機器人領域極具挑戰性的研究課題。一方面，由于球形機器人屬于非完整約束系統，不適合采用傳統的“狀態反饋控制”方法；另一方面，球形機器人的運動特性無法轉換為“鏈式系統”，鏈式控制算法也就無法適用其中。因此，盡管各國的研究者嘗試解決這一難題，并提出了各種解決方案，但到目前為止，對球形機器人的控制尚無成熟、完善的理論[7]。

本書研究以山東省自然科學基金項目“射流驅動球形機器人的研究（2009ZRA01105）”、泰安市科技發展計劃項目“球形機器人射流驅動原理及產品開發研究（20083002）”、泰安市科技發展計劃項目“環境探測球形機器人科研平臺的構建（201320629）、”泰安市科技發展計劃項目“電磁驅動球形機器人動力性能研究（2020ZC313）”、泰山學院引進人才科研啟動基金項目“球形機器人驅動原理及仿真研究（Y-01-2013010）”為依托，在充分借鑒國內外球形機器人研究經驗的基礎上，提出了幾種新型的球形機器人驅動原理方案。與目前國內外出現的所有驅動原理相比，其結構十分簡潔、可靠性高、運動靈活性好、運動控制易于實現、響應速度快、適用范圍廣，且能實現真正意義的全向性驅動，對球形機器人的驅動原理可產生較大的推動作用；同時，在球形機器人的控制策略方面，基于自適應的“滑模控制”方法，建立了可行的控制算法，在保證球形機器人優點的同時，減少球形機器人的“抖動”，這些工作包括控制算法的實現、虛擬樣機的研究、模擬仿真實驗、無線通信的實現等。