1.3.1 外驅球形機器人

人類的發明創造大多來自于生物運動帶給人類的靈感，如基于自然界中某些生物和幾何結構的一些特性，建立了類似打蛋器（Eggbemer）、蒲公英（Dandelion）、風滾草（Tumbleweed）、充氣球（Inflatable Tumbleweed）以及箱形風箏（Box-Kite）結構的球形機器人模型[12,13]。圖1.1所示為足球大小的球形“風滾草”，諸多研究者從球形“風滾草”得到研制外驅球形機器人的啟發和靈感。

2002年，美國南加利福尼亞大學宇航與機械工程學院的學者WANG H和YANG B，以及噴氣動力實驗室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）的JONES J A等人研究了一種具有彈性膨脹氣囊的球形機器人[14]。通過分析風力載荷驅動下的球形機器人在斜面上的運動情況，得到了一些初步理論成果：球體的形狀、重心、球體接觸面積之間存在一些函數關系。JPL研制的“風滾草”機器人如圖1.2所示。

美國宇航局蘭利研究中心（LaRC）的研究人員于2000年開始研究幾種不同結構形式的球形機器人：Wedges、Eggbeater、Box-Kite、Dandelion、Hamster-Ball和Tumble-Cup等，并對球形機器人被困于多巖石斜面的靜態平衡和機器人與巖石碰撞的情況進行了簡化動力學分析，得到了風速、球體半徑、坡度傾角和障礙物高度對于機器人越障性能影響的函數關系圖像，以及球體與巖石發生碰撞后的運動軌跡圖像。運用蒙特卡洛方法（Monte Carlo simulation）對“風滾草”機器人在多巖石環境的巡游進行了仿真研究[15,16]，其樣機模型如圖1.3所示。

芬蘭赫爾辛基工業大學（Helsinki University of Technology, TKK）的HALME A和SUOMELA J等人對基于俄羅斯薊（Russian Thistle）的球形機器人進行了較深入的研究，對風驅動和電機驅動相結合的球形機器人的運動性能進行了初步探索，并于2006年發表了外驅球形機器人和內驅球形機器人對比分析的研究論文。論文中對兩種機器人的運動能力、越障性能及路徑規劃方法進行了評價[17]。研究結果表明，直徑為6m的機器人在風力驅動下和在電機驅動下有相似的運動性能，而直徑為1.5～3m的機器人采用電機驅動比風力驅動更有效。帶刺球形薊的模型如圖1.4所示，內驅動和外驅動的薊式球形機器人分析圖如圖1.5所示。

日本學者Kodai Suzuki、Mikhail Svinin、Igor Goncharenko等對外驅球體運動的動力學模型、運動路徑規劃等也進行了較深入的理論分析和實驗研究，并取得了較有價值的成果[18,19]。外驅球體運動模型圖如圖1.6所示。

西安電子科技大學李團結、李曉峰等在國家自然科學基金項目的資助下，提出了一種內外驅動兼備的球形機器人模型。這種機器人采用充氣球式結構，以外部自然風力為主要驅動力，內部電機驅動為輔助控制，兼具內驅動和外驅動優點，從而很好地解決了能源供給和自主運動的問題。該機器人合理的外形結構使其能在外部風力驅動下進行滾動巡游，在遇到障礙物或陷入困境時，可以通過啟動內部驅動裝置來調整位置姿態，以越過或者避開障礙物或擺脫困境[20]。

大量的研究文獻表明：單純依靠自然風能為驅動力的球形機器人，雖然繞開了能源供給的問題，但由于其運動的自主性較差，風能利用率較低，所以不能很好地執行和完成既定的任務，在實際應用中難以得到推廣應用。