球形机器人未来发展方向研究

摘 要：球形机器人具有其他往轮式和轨道式机器人所不具备的优势，其更能够满足人们对机器人运动灵活性和恶劣环境适应能力的严苛要求。国内外对球形机器人的研究已在运动建模、姿态控制、轨迹跟踪等领域取得了一定的研究成果。根据球形机器人的特性，该类机器人主要应用在管道、沟渠等狭小空间的检测上；同时也可以开发为孩子的玩具，对儿童没有损害；由于完全密闭的球壳，可以用在极端环境侦查中。

关键词：球形机器人；结构原理；发展状况；应用前景

随着科技的不断发展，机器人已经成为各界人士所关注的话题之一。因各领域的不同对机器人的要求也不尽相同，为适应各式各样的需求，人们提出了一种新型机器人――球形机器人。

1 球形机器人概况

球形移动机器人是指一类将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一球形壳体内的系统的总称。球形机器人作为一种微小型移动机器人，具有特点如下：

（1）球形机器人具有良好的动态和静态平衡性，运动方向可控性好，一旦运动失态也能很快自我恢复。

（2）球形机器人具有很好的密封性，若球形体积能够给予它足够的浮力，它便可以在水面上运动，具有水陆两栖功能，在两栖用机器人领域有着两栖应用的前景。

（3）球形机器人的适应性强，可以行驶在无人、沙尘、潮湿、腐蚀性的恶劣环境中运行，无论是粗糙还是光滑的地形，球形机器人都能顺利滚过，沙地、雪地等相对柔软的地面也不会影响其灵活性。

（4）球形机器人能耗低，由于其在滚动运行过程中受到的阻力小，能量的消耗相对较低，可应用于行星探测、环境监测、国防装备等长时间操作的领域。

球形机器人具有其他往轮式和轨道式机器人所不具备的优势，其更能够满足人们对机器人运动灵活性和恶劣环境适应能力的严苛要求。

2 球形机器人的结构原理

球形机器人的主要结构包括球体和行走两大部分，驱动电动机9通过圆柱小齿轮10带动从动机构6、7、8绕轴5转动产生偏心力矩。8、9构成整个球形机器人的配重，促使球体往前滚动。转弯步进电动机8带动齿轮11绕着13转动，同时齿轮15绕齿轮14转动，从而带动整个机构支撑轴转动，实现转弯运动。其结构原理图如图1所示：

球形机器人是一种以滚动方式行走的移动机器人。球形机器人在静态和动态情况下都可以保持系统的平衡与稳定，运动连续性强，运动速度快，转向能力强。在运动中，若发生碰撞可以自行恢复至稳定状态。

3 球形机器人国内外发展现状

3.1 国外球形机器人发展状况

国外对球形机器人的研究较早，至今已有十几年，球形机器人最早的研究是从芬兰赫尔辛基科技大学的海尔姆教授开始的，随后，美国、日本、伊朗、加拿大、瑞典等国家也相继开展了球形机器人的研究，就目前的研究成果来看，国外的技术相对成熟。

1996年世界上出现了首例球形机器人-Rollo，它的驱动方式由主动轮和被动轮组成，主动轮位于球形内部，被动轮处于另一侧，并带有弹簧装置。主动轮和被动轮均与球壳直接接触，主动轮围绕安装轴与主轴旋转，其他组件安装在与主轴固连的圆台上，这样既增大了球壳与主动轮之间的压力，也可以增加运动时主动轮与球壳间的摩擦力，主动轮通过绕安装轴转动来使机器人向前移动，在围绕主轴转动过程中，驱动单元产生的惯性力通过摩擦传递到球壳，从而实现机器人的转向，这种驱动称为转动体驱动。

意大利比萨大学的Antonio Bicchi于1997年设计了球形机器人Sphericle。这种机器人具备球-车运动系统，即在球体的内部放置一个四轮小车，小车上装有各种传感器、蓄电池、电动机和控制系统，这些设备构成了配重质量块，增大了车轮与球壳之间的摩擦力，机器人前进靠车轮的同步转动来实现，机器人转向靠车轮差速转动来实现。这种驱动称之为车驱动。这种机器人可以连续运动，但是其适应能力具有一定的局限性，例如当球体的运动轨道不够平坦时，由于颠簸和振动使小车的车轮与壳体之间产生间隙，就会使机器人偏离运动轨迹；当车轮转动速度过快时，壳体与车轮间出现滑动现象也会影响机器人的移动速度；而当球体与物体发生碰撞时，小车一旦与球体分离，机器人就会失去运动的动能。

还有一种驱动叫作移动质量块驱动。2002年，Amir Homayoun A.和Puyan Mo jabi共同开发了一种球形运动机器人――August。这种全方位球形机器人也叫四驱动球形机器人，它能够全方位运动，由蓄电池供电，控制系统由球心和球壳两部分组成，通过无线电控制机电系统来完成运行和操作。之所以叫做四驱动机器人，是因为Augus由4个质量块和4个传动螺杆构成，并且每根螺杆各有1套独立的驱动系统，每个质量块靠步进电机的驱动力在导轨上移动。由于质量块的移动使机器人整体重心的位置得到了改变，机器人就通过这种偏心力矩的作用原理向前移动。后来Ranjan Mukherjee等人设计了一种Spherobot球形机器人的基本结构，Spherobot采用的驱动方式也是移动质量块驱动方式，但是这些人并没有做出实体样机，只是建立了这种机器人的数学模型、研究了这种机器人的路径规划方法。通过对移动质量块驱动的不断研究，这种驱动方式能够实现球形机器人的全方位行走，但是通过控制4个配重块的协调移动来实现全向行走的难度相当大。同时配重块在球壳内的分布方式影响了驱动力矩的质量，进而影响了机器人运动速度。

日本的研究者还提出了形变式驱动和陀螺控制姿态。形变驱动是机器人的内部采用用记忆合金支撑，外壳采用橡胶材质。记忆合金恢复形变时的能量为机器人提供能量。陀螺驱动的方法主要由陀螺、万向节和滚珠组成。

3.2 国内球形机器人发展状况

国内球形机器人研究较晚，但是发展速度很快，其中国内高校对球形机器人的研究做出了杰出的贡献。例如哈尔滨工业大学研制的双驱动球形机器人，主要通过理论分析，仿真模拟和实验验证等手段，研制出一种新型的双驱动球形机器人。这种机器人在球体内部的同一水平线上放置两个直流电机。由于在球体内部缺乏一个相对稳定平台，驱动电机的输出力矩使球形机器人的重心发生偏离，机器人驱动球体前向滚动的直接力矩来源于相对接触点的重力力矩。这种球形机器人的转向通过齿轮齿条啮合的方式带动球体内部构件转向来实现。西安电子科技大学研制出一种推进装置类似甲烷分子结构的球形机器人，它的轮辐上装有步进电机，该步进电机既是球形机器人的驱动装置又是配重体。北京航空航天大学研制出的偏心质量块驱动球形机器人，通过改变球形机器人的重心位置而产生偏心力矩实现机器人的向前运行。

4 球形机器人应用前景

根据球形机器人的特性，该类机器人主要应用在管道、沟渠等狭小空间的检测上；同时也可以开发为孩子的玩具，对儿童没有损害；由于完全密闭的球壳，可以用在极端环境侦查中，例如核电站、反恐、探测外太空星球等等。

参考文献

[1]李团结，刘卫刚.风力驱动球形机器人动力学[J].航空学报，2010，31（2）：426-430.

[2]岳明，刘荣强，邓宗全.库伦摩擦力对球形机器人运动状态影响的分析[J].哈尔滨工业大学学报，2007，7（17）：39.