球形机器人的发展现状

摘要：随着科技进步和工业变革，机器人相关技术也得到了长足发展。球形机器人是一种移动机器人，具有球形或类球壳，其运动方式主要是滚动，可以在恶劣的环境中行驶，依靠球壳内部的驱动机构实现滚动行走，因此被广泛应用于救援、安全检查和军事侦察等领域。本文对球形机器人发展现状进行了综述。

关键词：球形机器人；相关技术；发展现状

Abstract： With the progress of science and technology and industrial transformation， robot-related technologies have also made great progress. Spherical robot is a kind of mobile robot， which has a spherical or quasi-spherical shell， its motion mode is mainly rolling， and it can travel in harsh environment， and it can roll by the driving mechanism inside the spherical shell， so it is widely used in rescue， safety inspection and military reconnaissance. In this paper， the development status of spherical robots is summarized.

Keywords： spherical robot; Related technologies; development situation

过去几十年，机器人技术发展迅速，应用领域日益广泛。球形机器人因其独特形状和卓越机动性，在探测未知环境和侦察方面备受关注。然而，该领域仍面临环境感知、驱动机构优化等挑战。但是，球形机器人发展前景良好，对多领域产生深远影响，促进社会进步。

一、球形机器人的机械结构系统

球形机器人结构设计较为复杂，需将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一个球形壳体内。因此，球形机器人的机械结构系统设计是一个重点。球形机器人传动系统可将电机的转动转化为机械零件的运动，它在球形机器人的结构中必不可少。而针对不同的具体实际需求，要设计相应的传动系统。齿轮传动、同步带传动等被经常应用于球形机器人。

1.齿轮传动

齿轮传动系统由行星轮、太阳轮、行星架组成，是指由齿轮副传递运动和动力的装置。可根据设计需求的不同，来设计对应的齿轮传动类型。例如，杨岸雄[1]就基于自己设计的一种基于单摆悬垂原理的双半球差动结构的球形内检测机器人平台，为其设计了相应的行星轮传动系统。

2.电磁传动

球形机器人的电磁传动是一种利用电磁力驱动球体滚动或实现其他运动模式的技术。而球形电机可能作为主要的动力源，便利用该传动方式驱动球形机器人，例如李争带领的团队研究的斜槽式永磁球形电机[2]以及嘉奖[3]研究的磁阻式球形电机等都是利用该方式传动的。而且使用球形电机的传动系统可以进一步简化机械系统结构，降低球形机器人成本，有助于机器人的灵活性提高和控制运动精度。

二、球形机器人的控制系统

球形机器人的控制系统是其能够稳定运动和实现各种功能的关键。不同的球形机器人应用不同的控制策略和技术来实现高效、精准地运动。近年来，为了进一步提高球形机器人的性能，‌研究者们进行大量的研究工作，球形机器人的控制系统研究已经取得了显著的进展。‌

郭昱琛[4]将球形机器人的位置控制与姿态控制相结合，设计了一种基于改进的GPC-PID球形机器人轨迹跟踪串级控制系统。首先，实现了基于视觉反馈的球形机器人位姿信号的处理；然后，选择球形机器人的运动轨迹位置量作为主变量，设计了改进的GPC控制律。将WLSSVR非线性模型线性化为CARIMA形式，实现了GPC控制器的模型参数辨识。之后选择球形机器人的姿态量为副变量，使用PID控制器对其进行控制（图1）。

翟光耀将SMC和GRNN相结合，设计了基于SMC的反馈控制律，以及基于GRNN监督的前馈控制律，构成一种基于SMC-GRNN监督控制的球形机器人路径跟踪控制系统[5]。通过结合前馈和反馈的监督控制方法，可以实现球形机器人路径跟踪控制系统的稳定性和鲁棒性，并显著提升系统的精度和自适应能力（图2）。

三、球形机器人的驱动系统

球形机器人依靠驱动单元来实现运动，故驱动单元的机构设计是当前对球形机器人进行研究和创新的重点。现有球形机器人机构的驱动原理主要分为两种：质心偏移型和角动量驱动型。

1.质心偏移型驱动

目前，大多数球形机器人利用质心偏移进行驱动，尽管原理相同，但是研究人员针对内部驱动机构提出了几种不同的构型方案，分别为单摆锤驱动、双摆锤驱动、小车驱动和多质量块驱动。不同类型在直线、爬坡、越障等运动形式上各具优缺点（图3 ）。

2.角动量守恒型驱动

基于角动量守恒原理得到的球形机器人构型如图4所示，该构型为对称结构，球壳内部安装有两个及两个以上电机来驱动转子飞轮产生旋转，进而反作用于球壳产生相反方向的旋转，该构型结构简单，但稳定性差，对电机控制要求较高，运动效率低[6]。

四、结语

智能球形机器人的发展是一个充满挑战和机遇的研究领域。它以其独特的结构和优点在多个领域展现出了广阔的应用前景和巨大的潜力。相比传统机器人来说，其具有良好的平衡性和稳定性、环境适应能力强，运动更加灵活和控制更加方便等特点。本文将通过球形机器人的构造对当前的研究成果以及未来的发展趋势进行全面的综述，以期为进一步的研究提供参考。随着科学技术的不断发展和研究的深入，其理论基础还需完善，技术层面还需探索，智能球形机器人的研究之路任重而道远。

参考文献：

[1]杨岸雄.城镇燃气管道内检测球形机器人平台的设计与研究[D].中国石油大学（北京），2023.

[2]李争，王雪婷，于絮泽. 斜槽式永磁球形电机的设计与分析[J].微电机， 2021，54（09）：18-22.

[3]嘉奖.基于电感特性的磁阻式球形电机无传感器位置检测[D].安徽大学， 2022.

[4]郭昱琛.基于视觉定位的球形机器人轨迹跟踪控制系统[D].武汉科技大学，2023.

[5]翟光耀.基于视觉的球形机器人建模与路径跟踪控制系统[D].武汉科技大学，2023.

[6]张青松.全向轮驱动磁增强球形机器人研究[D].北京交通大学，2022.

【作者简介】袁祯（2005.10-），女，汉族，山西省大同市人，天津职业技术师范大学本科在读，主要研究方向：智能制造工程。

【基金项目】天津市级大学生创新创业训练计划项目（项目编号：202410066053）。