劉家念

摘 要：球形機(jī)器人具有其他往輪式和軌道式機(jī)器人所不具備的優(yōu)勢(shì)，其更能夠滿足人們對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和惡劣環(huán)境適應(yīng)能力的嚴(yán)苛要求。國(guó)內(nèi)外對(duì)球形機(jī)器人的研究已在運(yùn)動(dòng)建模、姿態(tài)控制、軌跡跟蹤等領(lǐng)域取得了一定的研究成果。根據(jù)球形機(jī)器人的特性，該類機(jī)器人主要應(yīng)用在管道、溝渠等狹小空間的檢測(cè)上；同時(shí)也可以開發(fā)為孩子的玩具，對(duì)兒童沒有損害；由于完全密閉的球殼，可以用在極端環(huán)境偵查中。

關(guān)鍵詞：球形機(jī)器人；結(jié)構(gòu)原理；發(fā)展?fàn)顩r；應(yīng)用前景

隨著科技的不斷發(fā)展，機(jī)器人已經(jīng)成為各界人士所關(guān)注的話題之一。因各領(lǐng)域的不同對(duì)機(jī)器人的要求也不盡相同，為適應(yīng)各式各樣的需求，人們提出了一種新型機(jī)器人——球形機(jī)器人。

1 球形機(jī)器人概況

球形移動(dòng)機(jī)器人是指一類將運(yùn)動(dòng)執(zhí)行機(jī)構(gòu)、傳感器、控制器、能源裝置安裝在一球形殼體內(nèi)的系統(tǒng)的總稱。球形機(jī)器人作為一種微小型移動(dòng)機(jī)器人，具有特點(diǎn)如下：

（1）球形機(jī)器人具有良好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)平衡性，運(yùn)動(dòng)方向可控性好，一旦運(yùn)動(dòng)失態(tài)也能很快自我恢復(fù)。

（2）球形機(jī)器人具有很好的密封性，若球形體積能夠給予它足夠的浮力，它便可以在水面上運(yùn)動(dòng)，具有水陸兩棲功能，在兩棲用機(jī)器人領(lǐng)域有著兩棲應(yīng)用的前景。

（3）球形機(jī)器人的適應(yīng)性強(qiáng)，可以行駛在無(wú)人、沙塵、潮濕、腐蝕性的惡劣環(huán)境中運(yùn)行，無(wú)論是粗糙還是光滑的地形，球形機(jī)器人都能順利滾過，沙地、雪地等相對(duì)柔軟的地面也不會(huì)影響其靈活性。

（4）球形機(jī)器人能耗低，由于其在滾動(dòng)運(yùn)行過程中受到的阻力小，能量的消耗相對(duì)較低，可應(yīng)用于行星探測(cè)、環(huán)境監(jiān)測(cè)、國(guó)防裝備等長(zhǎng)時(shí)間操作的領(lǐng)域。

球形機(jī)器人具有其他往輪式和軌道式機(jī)器人所不具備的優(yōu)勢(shì)，其更能夠滿足人們對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活性和惡劣環(huán)境適應(yīng)能力的嚴(yán)苛要求。

2 球形機(jī)器人的結(jié)構(gòu)原理

球形機(jī)器人的主要結(jié)構(gòu)包括球體和行走兩大部分，驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)9通過圓柱小齒輪10帶動(dòng)從動(dòng)機(jī)構(gòu)6、7、8繞軸5轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生偏心力矩。8、9構(gòu)成整個(gè)球形機(jī)器人的配重，促使球體往前滾動(dòng)。轉(zhuǎn)彎步進(jìn)電動(dòng)機(jī)8帶動(dòng)齒輪11繞著13轉(zhuǎn)動(dòng)，同時(shí)齒輪15繞齒輪14轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)整個(gè)機(jī)構(gòu)支撐軸轉(zhuǎn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)。其結(jié)構(gòu)原理圖如圖1所示：

球形機(jī)器人是一種以滾動(dòng)方式行走的移動(dòng)機(jī)器人。球形機(jī)器人在靜態(tài)和動(dòng)態(tài)情況下都可以保持系統(tǒng)的平衡與穩(wěn)定，運(yùn)動(dòng)連續(xù)性強(qiáng)，運(yùn)動(dòng)速度快，轉(zhuǎn)向能力強(qiáng)。在運(yùn)動(dòng)中，若發(fā)生碰撞可以自行恢復(fù)至穩(wěn)定狀態(tài)。

3 球形機(jī)器人國(guó)內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

3.1 國(guó)外球形機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)外對(duì)球形機(jī)器人的研究較早，至今已有十幾年，球形機(jī)器人最早的研究是從芬蘭赫爾辛基科技大學(xué)的海爾姆教授開始的，隨后，美國(guó)、日本、伊朗、加拿大、瑞典等國(guó)家也相繼開展了球形機(jī)器人的研究，就目前的研究成果來(lái)看，國(guó)外的技術(shù)相對(duì)成熟。

1996年世界上出現(xiàn)了首例球形機(jī)器人-Rollo，它的驅(qū)動(dòng)方式由主動(dòng)輪和被動(dòng)輪組成，主動(dòng)輪位于球形內(nèi)部，被動(dòng)輪處于另一側(cè)，并帶有彈簧裝置。主動(dòng)輪和被動(dòng)輪均與球殼直接接觸，主動(dòng)輪圍繞安裝軸與主軸旋轉(zhuǎn)，其他組件安裝在與主軸固連的圓臺(tái)上，這樣既增大了球殼與主動(dòng)輪之間的壓力，也可以增加運(yùn)動(dòng)時(shí)主動(dòng)輪與球殼間的摩擦力，主動(dòng)輪通過繞安裝軸轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)使機(jī)器人向前移動(dòng)，在圍繞主軸轉(zhuǎn)動(dòng)過程中，驅(qū)動(dòng)單元產(chǎn)生的慣性力通過摩擦傳遞到球殼，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的轉(zhuǎn)向，這種驅(qū)動(dòng)稱為轉(zhuǎn)動(dòng)體驅(qū)動(dòng)。

意大利比薩大學(xué)的Antonio Bicchi于1997年設(shè)計(jì)了球形機(jī)器人Sphericle。這種機(jī)器人具備球-車運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)，即在球體的內(nèi)部放置一個(gè)四輪小車，小車上裝有各種傳感器、蓄電池、電動(dòng)機(jī)和控制系統(tǒng)，這些設(shè)備構(gòu)成了配重質(zhì)量塊，增大了車輪與球殼之間的摩擦力，機(jī)器人前進(jìn)靠車輪的同步轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)，機(jī)器人轉(zhuǎn)向靠車輪差速轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。這種驅(qū)動(dòng)稱之為車驅(qū)動(dòng)。這種機(jī)器人可以連續(xù)運(yùn)動(dòng)，但是其適應(yīng)能力具有一定的局限性，例如當(dāng)球體的運(yùn)動(dòng)軌道不夠平坦時(shí)，由于顛簸和振動(dòng)使小車的車輪與殼體之間產(chǎn)生間隙，就會(huì)使機(jī)器人偏離運(yùn)動(dòng)軌跡；當(dāng)車輪轉(zhuǎn)動(dòng)速度過快時(shí)，殼體與車輪間出現(xiàn)滑動(dòng)現(xiàn)象也會(huì)影響機(jī)器人的移動(dòng)速度；而當(dāng)球體與物體發(fā)生碰撞時(shí)，小車一旦與球體分離，機(jī)器人就會(huì)失去運(yùn)動(dòng)的動(dòng)能。

還有一種驅(qū)動(dòng)叫作移動(dòng)質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)。2002年，Amir Homayoun A.和Puyan Mo jabi共同開發(fā)了一種球形運(yùn)動(dòng)機(jī)器人——August。這種全方位球形機(jī)器人也叫四驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人，它能夠全方位運(yùn)動(dòng)，由蓄電池供電，控制系統(tǒng)由球心和球殼兩部分組成，通過無(wú)線電控制機(jī)電系統(tǒng)來(lái)完成運(yùn)行和操作。之所以叫做四驅(qū)動(dòng)機(jī)器人，是因?yàn)锳ugus由4個(gè)質(zhì)量塊和4個(gè)傳動(dòng)螺桿構(gòu)成，并且每根螺桿各有1套獨(dú)立的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，每個(gè)質(zhì)量塊靠步進(jìn)電機(jī)的驅(qū)動(dòng)力在導(dǎo)軌上移動(dòng)。由于質(zhì)量塊的移動(dòng)使機(jī)器人整體重心的位置得到了改變，機(jī)器人就通過這種偏心力矩的作用原理向前移動(dòng)。后來(lái)Ranjan Mukherjee等人設(shè)計(jì)了一種Spherobot球形機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)，Spherobot采用的驅(qū)動(dòng)方式也是移動(dòng)質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)方式，但是這些人并沒有做出實(shí)體樣機(jī)，只是建立了這種機(jī)器人的數(shù)學(xué)模型、研究了這種機(jī)器人的路徑規(guī)劃方法。通過對(duì)移動(dòng)質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)的不斷研究，這種驅(qū)動(dòng)方式能夠?qū)崿F(xiàn)球形機(jī)器人的全方位行走，但是通過控制4個(gè)配重塊的協(xié)調(diào)移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)全向行走的難度相當(dāng)大。同時(shí)配重塊在球殼內(nèi)的分布方式影響了驅(qū)動(dòng)力矩的質(zhì)量，進(jìn)而影響了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)速度。

日本的研究者還提出了形變式驅(qū)動(dòng)和陀螺控制姿態(tài)。形變驅(qū)動(dòng)是機(jī)器人的內(nèi)部采用用記憶合金支撐，外殼采用橡膠材質(zhì)。記憶合金恢復(fù)形變時(shí)的能量為機(jī)器人提供能量。陀螺驅(qū)動(dòng)的方法主要由陀螺、萬(wàn)向節(jié)和滾珠組成。

3.2 國(guó)內(nèi)球形機(jī)器人發(fā)展?fàn)顩r

國(guó)內(nèi)球形機(jī)器人研究較晚，但是發(fā)展速度很快，其中國(guó)內(nèi)高校對(duì)球形機(jī)器人的研究做出了杰出的貢獻(xiàn)。例如哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人，主要通過理論分析，仿真模擬和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證等手段，研制出一種新型的雙驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人。這種機(jī)器人在球體內(nèi)部的同一水平線上放置兩個(gè)直流電機(jī)。由于在球體內(nèi)部缺乏一個(gè)相對(duì)穩(wěn)定平臺(tái)，驅(qū)動(dòng)電機(jī)的輸出力矩使球形機(jī)器人的重心發(fā)生偏離，機(jī)器人驅(qū)動(dòng)球體前向滾動(dòng)的直接力矩來(lái)源于相對(duì)接觸點(diǎn)的重力力矩。這種球形機(jī)器人的轉(zhuǎn)向通過齒輪齒條嚙合的方式帶動(dòng)球體內(nèi)部構(gòu)件轉(zhuǎn)向來(lái)實(shí)現(xiàn)。西安電子科技大學(xué)研制出一種推進(jìn)裝置類似甲烷分子結(jié)構(gòu)的球形機(jī)器人，它的輪輻上裝有步進(jìn)電機(jī)，該步進(jìn)電機(jī)既是球形機(jī)器人的驅(qū)動(dòng)裝置又是配重體。北京航空航天大學(xué)研制出的偏心質(zhì)量塊驅(qū)動(dòng)球形機(jī)器人，通過改變球形機(jī)器人的重心位置而產(chǎn)生偏心力矩實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的向前運(yùn)行。

4 球形機(jī)器人應(yīng)用前景

根據(jù)球形機(jī)器人的特性，該類機(jī)器人主要應(yīng)用在管道、溝渠等狹小空間的檢測(cè)上；同時(shí)也可以開發(fā)為孩子的玩具，對(duì)兒童沒有損害；由于完全密閉的球殼，可以用在極端環(huán)境偵查中，例如核電站、反恐、探測(cè)外太空星球等等。

參考文獻(xiàn)

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