球形机器人的研制文献综述

1. 文献综述（或调研报告）：

球形机器人的研究追溯到1996年，至今已20余年。从外形上分类，球形机器人分为球形（或近球形）和碟形两种：球形结构在静态与动态下均可以保持良好的稳定性，且抗干扰性较强，能连续在地形复杂的路面上运动；碟形结构的动态稳定性较好，速度更快，但在低速情况下运动稳定性较差，抗干扰能力弱[1]。

球形机器人最大的特点之一是其全向运动能力。平面坐标系统一般来说有三个自由度：前后运动、侧向运动和倾角运动。全向移动能力的严格定义即机器人可以在任一瞬时实现这三种运动。因为球形机器人的对称外形，所以对于球形机器人而言全向移动的宽松定义即可以在任一瞬时实现前后运动和侧向运动[2]。

而要实现球形机器人的全向运动，最关键的是其驱动原理的设计。球形机器人的驱动原理主要可分为三种：第一种是直接驱动型：驱动单元的力矩直接驱动球壳转动，这时驱动单元与球壳是直接接触的。此方法结构、控制都相对简单，但是转向能力不强，且摩擦力不可靠，受到干扰后可能出现驱动单元与球壳分离的情况。第二种是重力型：非接触式，驱动单元运动会改变机器人的重心位置，且其加减速也会产生惯性力，依靠偏心力矩和惯性力矩，球形机器人可以灵活地运动，且非接触式提高了抗干扰能力，但是控制较难[2]。第三种是角动量型：利用角动量守恒原理，比如2008年Schroll设计的“Gyrosphere Robot”，结合了角动量型（驱动）和重力型（转向）[2][3]。

目前研发出的各种球形机器人及其特点如图一所示。下面对目前已研发的几种主要球形机器人和其驱动原理进行陈述。

图一 已研发的球形机器人的特点。符号D、G和A分别指直接驱动型、重力型和角动量型。标志“V”指机器人可完成该运动，标志“V^*”指该运动在大多数情况下可完成（如除奇点外）。

1. 转动体驱动

1996年，芬兰的Aarne halme等人研制了第一款球形机器人，将其命名为Rollo[4]，结构如图2所示。它采取的就是接触式驱动，驱动装置由一侧的主动轮与另一侧带有弹簧的被动轮组成，二者均与外壳直接接触，其中主动轮可以分别绕安装轴和主轴转动，当其绕安装轴转动时，机器人会向前滚动，当主动轮绕主轴转动时，机器人会转向。其他组件安装在与主轴固连的圆台上，可以增大主动轮与球壳之间的压力，进而增加摩擦力，防止出现打滑现象。

图2 Rollo的结构。1.外壳，2.圆台，

3.主动轮，4.主轴 5.安装轴，6.弹簧，7.被动轮。

2、车驱动

1997年，意大利的Antonio Bicchi自行设计了球形机器人Sphericle[5]，它同样是采用接触式驱动原理，结构如图3所示。Antonio Bicchi将一个质量较重的四轮小车直接放入球体内部，车轮同步转动可以驱动机器人前进，车轮差速转动会让机器人转向。但Sphericle的抗干扰能力较弱，当发生碰撞时，小车可能脱离壳体，使得运动失效，在高速运动时也会出现打滑现象，使机器人的运动速度受到限制。