2.1 内驱球形机器人的原理及分类

内驱球形机器人的驱动力大多依靠内部驱动装置改变自身重心的位置及外界摩擦力提供，球形机器人所有的驱动装置、动力源、各种传感器和执行机构等都置于球壳的内部。国内外球形机器人研究者提出了多种球形机器人机构，其工作原理都是基于通过一种能引起不平衡的内部驱动装置IDU（Inside Drive Unit）的运动来破坏系统的平衡的，进而使系统产生运动，改变IDU的运动方向和速度可以控制球形机器人的行走方向和速度。根据内驱机构、约束性质及IDU的原理不同，球形机器人的实现方式、工作原理及分类方法也有很大的差异。

（1）按内驱球形机器人的驱动主动力数量，可将现有内驱动球形机器人的驱动方案归纳为三类，即二驱动、三驱动和四驱动球形机器人。

HALME等人在1996年研制的单轮驱动球形机器人[95,96]、BICCHI等人在1997年研制的小车驱动球形机器人[97,98]和MICHAUD等人在2000年研制的Roball球形机器人[99-101]的共同特点是都采用两个输入，属于二驱动球形机器人。北京邮电大学孙汉旭教授等人在2000年研制的球形机器人[102]及西安电子科技大学李团结教授等人[103,104]在2006年研制的球形机器人也属于二驱动球形机器人。OTANI等人在2006年研制的陀螺仪驱动球形机器人、西安电子科技大学李团结教授等人在2009年研制的内外驱动球形机器人[105]均属于三驱动球形机器人。MUKHERJEE等人在1999年研制的球形机器人[106,107]、JAVADI等人在2002年研制的球形机器人和上海交通大学金康进等人[108,109]研制的球形机器人的驱动原理都是靠四个配重块沿四根辐条运动改变球形机器人的质心位置的，属于四驱动球形机器人。

（2）按球形机器人的约束性质，可分为两类：非完整约束球形机器人和完整约束球形机器人。

前文所述的单轮驱动和小车块驱动方式的共同特点是配重块独立于球壳，通过轮子沿球壳内表面的滚动实现配重块相对球壳的运动，单轮与球壳之间的约束为非完整约束。而MUKHERJEE等人在1999年研制的球形机器人及JAVADI等人在2002年研制的球形机器人配重块与球壳之间的约束属于完整约束。非完整约束使得球形机器人的力学模型复杂、控制困难；而完整约束的球形机器人的力学模型相对简单，且控制容易实现。

（3）按内驱的工作原理，可将内驱球形机器人归纳为两类：质心改变驱动的球形机器人和角动量守恒定律驱动的球形机器人。

①质心改变原理。通过内部驱动单元的重心偏移，使其重心始终处在球形机器人几何中心前方的一段距离，由此产生向前的驱动力矩，以克服机器人运动时所受到的各种阻力，从而驱动球形机器人向前滚动；通过控制其重心偏移方向，即可控制机器人的运动方向。具体实现的方式可通过两个电动机分别驱动两组转动机构，带动相应的配重块偏转，以改变其重心位置，使得整个球形机器人朝着所期望的方向滚动。同理，也可以通过调节其重心向两侧偏斜，以产生转弯所需要的力矩，从而实现球形机器人的转向运动。如果运动中的阻力较小，则可以把配重块的方向看成一直是下垂的，实际的工作状态是两个配重块稍微前倾，以提供足够的滚动转矩。加拿大的MICHAUD、瑞典的BRUHN、我国北京航空航天大学战强等人研制的球形机器人均属于这一类[110,111]。

②角动量守恒定律。美国特拉华大学SUNIL和SHOUROV利用角动量守恒定律设计了一种自主球形机器人，并于2002年7月申报了一项美国专利[112]，该机器人在球体内部至少包含两套转动机构。根据角动量守恒定律，当转动机构转动时，球形机器人将逆向滚动，由此，通过控制转动机构的转速和旋转方向即可达到控制球体的滚动方向和运动速度的目的。