1.3.2 内驱球形机器人
早在1893年TATE发明了一种球形玩具，并申请了一项专利（U.S.Patent 508558）[21,22]。1909年，美国宾夕法尼亚州的工程师罗伯特塞西尔设计了一种可以沿“zig-zig”路径运行的机器人玩具，并获得了专利（U.S.Patent 933623）[23,24]。
1918年，MCFAUL基于鼠笼原理设计了一种球形机器人（U.S.Patent 1263262），球体的运动是靠内驱轮与球壳内壁的摩擦来驱动的[25,26]。在随后的近一个世纪内，又产生了近80项美国专利。但是，这些专利却没有产生有效的实际应用，球形机器人的研制工作也被搁置了数十年。
直到1996年，美国卡耐基梅隆大学徐扬生教授开发了一个单轮稳定行走机器人样机Gyrover[27]（见图1.7）。这种单轮行走机器人主要由轮子、摆锤、倾斜机构和陀螺仪组成。其中，轮子是唯一与外界环境接触的部分，内部驱动结构是Gyrover的主要部分，包括摆锤、倾斜机构和陀螺仪。
摆锤包括一个直流电机和用于驱动轮轴的传动装置，随着摆锤的偏转，其重力产生反动力矩，从而使驱动机构为Gyrover产生向前的加速度[28-31]。倾斜的伺服机构连接着陀螺仪的旋转轴和摆锤，旋转轴垂直于机器人主轴并位于Gyrover的中间，由倾斜的伺服机构产生轮子侧向运动所需的转矩。Gyrover采用陀螺仪保证机器人在高速和低速行走时的稳定性，但是该机器人在静止时却不能平稳，一旦停止转动就会倒在地上，如果没有人为协助，它就无法再“站起来”继续运动[32-35]。
图1.7 Gyrover机器人外观及结构图
芬兰赫尔辛基工业大学的HALME等人于1996年设计了一种球形机器人[36]（见图1.8）。它的外部是一个球壳，内部由动力轮、支撑轴、操纵轴、控制箱、平衡转轮和弹簧组成一个可在球内滚动的单轮驱动机构。采用单电机内部驱动机构（Inside Drive Unit, IDU）驱动机器人运动，球壳与驱动装置没有固定连接部分。由控制装置控制机器人的运动方向，而通过改变驱动电机的旋转速度可以控制其滚动速度，平衡转轮用于保持球体的平衡[37,38]。这种采用单轮驱动球形机器人具有结构简单、造价较低的优点，能够实现简单变速的球壳的运动，适合进行球形机器人实验研究。其缺点是只能在一个方向上进行控制，无法实现系统的全方位运动，长期稳定性和连续性也较差。
图1.8 第一代IDU球形机器人
继第一代IDU球形机器人研制成功之后，HALME等人对球形机器人进行了广泛深入的研究，并不断对其改进、完善，相继推出了第二代、第三代球形机器人，样机模型如图1.9所示。
1997年，意大利比萨大学的BICCHI等人[39-43]采用了一辆小车取代HALME设计的驱动轮作为驱动装置（见图1.10）。这种设计尽管对驱动方式进行了调整，但并没有做出实质性的改进。
图1.9 第二代、第三代IDU球形机器人
图1.10 SPHERICLE样机
图1.11所示为美国密歇根州立大学MUKHERJEE等人于1999年研制的Spherobot球形机器人[44,45]。该机器人有一个球形外部框架和一个新颖的内部机构。这种外部框架将提供最大限度的稳定性，内部机构包括中心部件、驱动部件、视觉部件和支撑部件。支撑部件和视觉部件都具有可伸缩支架，运动时可收缩到球体内部，而工作时又可伸到球体之外。驱动部件有四根支柱在球内呈正四面体对称分布，每根支柱安装一个配重块，改变配重块在支柱上的位置，机器人的质心位置也随之改变，从而改变球体的运动状态。理论上，Spherobot球形机器人可以真正实现全方位滚动，但由于其最终运动由配重块在支柱上的运动和球体本身的运动合成决定，所以建立完善的机器人运动模型有较大的难度，控制也不易于实现。
图1.11 密歇根州立大学研制的Spherobot球形机器人
2002年，伊朗的JAVADI等学者研制了一台名为August[46,47]的球形机器人（见图1.12）。机器人的结构类似于MUKHERJEE教授研制的球形机器人的结构，原理也基本一致。在球体内部与球壳固连了呈正四面体空间分布的四根轮辐，每根轮辐配有一套独立的步进电机驱动系统，轮辐之间的角度为109.47°。步进电机驱动丝杠转动，并带动配重块沿轮辐方向移动，由此实现球形机器人的运动，实现了球形机器人的全向滚动。该球形机器人的优点为平稳性较强，能够实现全方向滚动。另外，该球形机器人上的照相机可以用于完成一些侦察、探测等任务，使得其功能得到了进一步扩展。该球形机器人的不足之处是照相机的展开点是相对固定的，每次照相机伸出活动时必须用支架固定球形机器人，然后才能开始工作。因此，无法实现球形机器人运动和侦察任务的并行。
图1.12 August球形机器人
2000年，加拿大希尔布鲁克大学的MICHAUD等学者研制了一种用于儿童教育的ROBALL-1球形机器人[48,49]，并于2005年研制出第二代ROBALL-2球形机器人[50,51]，如图1.13所示。该球形机器人采用配重块的位置变化改变球体重心以驱动球形机器人的运动，如图1.14所示。
图1.13 ROBALL第一代、第二代球形机器人
图1.14 ROBALL球形机器人的驱动及转弯机构
日本SONY公司于2002年3月在第二届机器人博览会“Robodex 2002”上推出了一种智能球Q-taro[52]（见图1.15）。球体的表面与内部驱动部件是独立设计的，且球壳和内部驱动部件都制造得非常精细，球壳表面可通过内部滚轴驱动，以实现全方位自由滚动。该球形机器人从外观上看似乎很简单，但其内部滚轴驱动机构却相当复杂。该球形机器人上安装了至少30个传感器，通过这些传感器来辨别人的声音、体温等周围环境的变化并做出相应的动作。但其造价十分昂贵，并不能很好地推广应用。
图1.15 SONY公司的智能球“Q-taro”
2005年，瑞典乌普萨拉大学安格斯特朗航空航天中心（Angstrom Aerospace）的BRUHN设计了一款充气式漫游者球形机器人（Spherical Mobile Investigator for Planetary Surface, SMIPS）[53-55]。该球形机器人不但重量轻、可以长途运行，且耗能少、经济实用。一节电池能够行进约100km，时速高达30km/h。当这种充气式球形探测器登陆时，由内置充气筒为球形机器人充氙气。充满氙气后，直径也只有30cm。这种充气式球形探测器的构想由BRUHN最先提出，如今已被一个工程师小组开发出样机模型，如图1.16所示。为避免灰尘进入太阳能电池板，超声波清洁器会不断使充气筒振动，以抖落充气筒壳体上的灰尘。传感器、摄像机等零部件均安装在空心轴里面。内驱锤使球体向一侧倾斜，从而驱动机器人滚动和转向，以搜集地面样本。此外，球体表面涂着一层电极，用于感知电导、电阻系数等地面信息，通过无线电设备，将其发现的有价值的地形信息发送到它的轨道飞行器或主探测器上。
图1.16 SMIPS机器人
2006年，日本神户大学的OTANI等学者研制了一种由陀螺仪组成的球形机器人[56]，如图1.17所示。陀螺仪依靠电动机驱动，并绕万向节高速运转，两个电动机用来产生垂直于陀螺仪方向的转动力矩。球形机器人的质心位于其几何中心，使得球形机器人在水平面内运动时，机器人本身的重力正好作用于与水平面的接触点，以减少球形机器人的转动惯量的损耗。
图1.17 日本神户大学研制的球形机器人样机模型
2009年，印度理工学院的JOSHI等人研制了一款教学用球形机器人，其样机模型如图1.18所示。
该球形机器人内部垂直安装了两个电动机，以驱动两个互相垂直的转盘，通过控制电动机的转速来控制球体的滚动方向、运动的速度和加速度，这款球形机器人与美国特拉华大学BHATTACHARYA及AGRAWAL等人[57]研制的球形机器人，都是基于角动量守恒定律驱动原理设计的。
图1.18 印度理工学院研制的球形机器人样机模型
美国麻省理工学院的DUBOWSKY等人研制了一批只有网球大小的微型机器人[58-61]（见图1.19）。这些采用弹跳方式运动的球形机器人携带着微型照相机、光谱分析仪等传感器，用于探测星球信息。机器人重量只有第二代的“勇气号”和“机遇号”火星车的千分之一，未来将有可能同时在火星表面投放上千个这样的球形机器人，以便对峡谷和火山等复杂地形进行探测。由于该机器人采用了特殊的弹跳方式前进机制，因此，可以很容易地越过各种障碍物。同时，这些具有协作功能的微型机器人既能各司其职，又具备“团队协作”能力，它们之间可以互相交流信息。这种机器人的组织类似于人体大脑神经网络，即使机器人有部分损坏，也绝不会影响到整体任务的执行，因为其他众多探测机器人获取的数据足以弥补这些损失。
图1.19 星球探测机器人（微型机器人）
此外，德国[62,63]、法国[64]、瑞士[65]、比利时[66,67]、泰国[68]、新加坡[69]等国家的许多研究者对球形机器人也进行了深入的理论研究[70,71,72,73]，并取得了一定的进展。
球形机器人的研究在我国还是一个比较新的领域，2000年11月，北京航空航天大学丁希仑教授提出了自主球形机器人的设想，设计了一种遥控并具有部分自主功能的球形机器人，并申请了“自主球形机器人”发明专利[74]（申请号：99122494.9，公开号：CN1295907A）；2001年上海交通大学的戴武城博士（导师：杨汝清教授）对球形机器人开展研究[75]，在探讨原理的基础上，对球形机器人进行了运动分析和仿真研究，为我国球形机器人的研究奠定了一定理论基础。
北京邮电大学孙汉旭教授在2001年10月申请了发明专利“球形机器人的全方位行走机构”（申请号：01118289.X，公开号：CN1318453A），提出了一种球形机器人的全方位行走机构。其基本原理是采用圆锥齿轮和圆柱齿轮副构成的齿轮传动系，通过兼作配重的电动机的电力驱动，不断调节其重心位置，从而产生向前或向后的驱动力；采用同样的方法，通过调节球形机器人的重心位置向左或向右倾斜，就可以产生转弯力矩，从而实现球形机器人的全向运动[76]。到目前为止，我国在球形机器人方面共公开专利38项，其中，发明专利25项。
2002年，哈尔滨工业大学邓忠全教授等着手对球形机器人进行研究，设计并制造了一种“球形运动器”的装置[77-79]（见图1.20）。该球形运动器的特点是将球体的转向与直线行走两种运动状态分开实现，避免了两种运动综合作用时产生的运动耦合现象，从而降低了耦合时所带来的力学分析和控制上的难度。通过对球形运动器进行动力学分析，得出了其内部各个状态变量的变化规律。
图1.20 哈尔滨工业大学研制的“球形运动器”
2005年，以北京邮电大学孙汉旭教授为首的研究小组，在国家自然科学基金项目和教育部科学技术研究基金的资助下，开发了拥有我国自主知识产权、国内首创且具有国际先进水平的BYQ-I型球形机器人[80-82]。2008年，北京邮电大学又以国家863项目为背景，以BYQ-III型球形机器人为基础对“带臂”球形机器人系统进行了深入研究，包括结构设计、控制系统设计、稳定平衡分析等，提出了一种新颖移动机器人避障及多机器人协同路径规划算法，并研制出BYQ-IV型球形机器人[83-85]（见图1.21）。
图1.21 北京邮电大学研制的BYQ型球形机器人
2009年，国防科技大学罗自荣、尚建荣、潘中银等[86]研制了一种可抛掷的多运动态球形机器人，如图1.22所示。该球形机器人具有球形、两轮和跳跃3种运动形态，能通过抛掷、布撒等方式接近目标，可与便携式机器人系统（MPRS）构成子母式系统，具有机动、灵活和高效的优点。可用于战场侦察、目标指示和跟踪、直接对敌实施精确打击等；也可用于安全监视、防爆、反恐、救援等，具有广泛的应用前景。
图1.22 可抛掷球形机器人样机
另外，北京航空航天大学[87,88]、苏州大学[89]、西安电子科技大学[90]、成都大学[91]等院校在球形机器人研究方面也做了许多工作[92-94]，取得了不少有价值的研究成果。