机器人工业是一个国家的重要产业，机器人工业的发展无时不刻都在影响着国家经济的发展，人类的进步离不开机器人工业的发展。

球形机器人是一种新型的机器人，它具有灵活性、稳定性和适应性，因此，在医疗、军事、家庭服务、救援等领域应用广泛。然而，球形机器人滚动时消耗能量巨大，这限制了其应用范围。因此，对重心驱动式球形滚动机器人进行改良和优化、开展基于再生阻尼的球形机器人滚动速度节能控制研究显得尤为重要。

球形机器人的发展演变

球形机器人一直是全球机器人研究领域的热点，但因为基础理论不够完善，技术层面更处在起步阶段，全球正式发布的成果一直较少。

在最初，球形机器人主要是为探月而设计。例如欧洲空间研究与技术中心（ESTEC）就研发过了一款球形机器人，这款被称为“月球地下结构深层自主下降与探索”（DAEDALUS）机器人，由德国巴伐利亚州维尔茨堡朱利叶斯-马克西米利安大学（JMU）领导的团队设计，这个名为DAEDALUS 的球形机器人约 18 英寸（46 厘米），可以通过绳索下降到月坑。

球形机器人本质上（spherobots）是一种以球形作为其设计基本方面的机器人系统。它的基本设计原理和结构与传统机器人构型完全不同，具有非常强的前沿性和创新性。之所以设计为球形，是因为这种形状更为紧凑、紧密，且能较高有效载荷和高度自主性。一方面它能用特殊材料包裹，保护内部免受恶劣月球环境影响。另一方面通过立体视觉系统和激光测距，它还能360 度全方位观察周围环境同时实现自动导航。

球形机器人通常由球壳+球体组成，外壳可以封装例如电机、传感器、控制器和电源等各种内部组件，内部主要采取质心旋转机构。运动方式简单来说就是以改变机器人重心的方式并激活内部驱动电机，以启动滚动这种非常规的运动方法。球形机器人在特定应用中具有独特的优势。例如传统轮式或腿式机器人可能面临挑战的环境中的室内导航。或者可以以更小的体积进行监视和监控，尤其是在狭小空间或崎岖地形中。

早在2011 年7月 ，MIT达贝洛夫信息系统与技术实验室就公布过他们在球形机器人的探索成果。当时这个鸡蛋大小的球形机器人，旨在用于进入福岛核反应堆地下管道，检查腐蚀迹象。当时这款球形机器人已经配备了摄像头，能够承受反应堆的极端放射性环境，并从内部实时传输图像。

他们提出了一种叫做“extremely fail-safe”的概念，为了保障在核电站意外下的运作安全，所以路线上选择了一次性使用，然后回收的方式。而后2011年IEEE 上，这个机器人概念进一步被完善，他们提出了“仓鼠球”概念，即像仓鼠那样，通过改变球的质心位置，从而实现球形机器人能朝着一个方向滚动。研究者在机械上通过一种两轴万向节实现了任意改变机器人的质心目的，又采用了类似无人机云台的稳定机构让相机能保持一个稳定水平面运行。该研究也被认为是球形机器人实际应用的起点。

当时佐治亚理工学院机器人和智能机器中心主任 Henrik Christensen认为，这种机器人不仅可以用于监控核反应堆，还可以用于检查其他狭窄、密闭的空间——例如庞大的城市下水道管道。

球形机器人的研究最早可以追溯到一篇名为 "A Spherical Robot with Internal Omni-Wheels for Omnidirectional and Holonomic Motion on Flat Terrains"的论文，这是在1995年IEEE ICRA的一篇内容，介绍了一种带有内部全向轮的球形机器人的概念，讨论了球形机器人独特运动能力的运动学、动力学和控制策略。而后MIT一篇"Design and Implementation of Spherical Robots for Planetary Exploration"的论文将球形机器人的机械结构、传感系统和控制策略进一步完善，这是2004 年IEEE/RSJ IROS的一篇内容，讨论了用于行星探索的球形机器人设计和实现方式，开启了这个领域的创新研究。

但即便如此，球形机器人的研究和实际产业化进程一直落后于其它类别的机器人。

驱动和节能控制是如何实现的？

大多数同学都看过电影星球大战-原力觉醒，其中的球形机器人BB8，可爱呆萌的样子被我们吸引着。球形机器人是指一类驱动系统位于球壳（或球体）内部，通过内驱动方式实现球体运动的机器人。球形移动机器人简称球形机器人，是指一类将运动执行机构、传感器、控制器、能源装置安装在一个球形壳体内的系统的总称。

球形机器人以滚动为主要的运动方式, 通过内部驱动装置的运动打破球体的静态平衡, 运动灵活 ,可以实现原地转向和全方位行走,可在狭窄空间内作业。另外由于球体滚动的阻力相对滑动或轮式装置的运动阻力小很多，所以球形机器人具有运动效率高、能量损耗小的特点。

它的运动原理是：通过驱动单元的运动改变机器人的重心位置,同时驱动单元的加减速运动产生惯性力, 机器人在偏心力矩和惯性力矩的作用下滚动, 此方式使机器人运动灵活, 抗震性强 ,但加大了控制难度；另一种驱动方式是驱动单元与球壳直接接触, 由于存在摩擦力,驱动单元的运动直接使球壳转动, 采用此方式的球形机器人结构相对简单, 易于控制 , 但是转向能力较差, 受到碰撞之后驱动单元与球壳之间的接触容易被破坏。

球形机器人的节能控制可以通过再生阻尼技术实现。再生阻尼是指利用机械能转化为电能的技术，该技术可以在降低机器人滚动速度的同时，将机械能转化为电能存储起来，从而达到节能的效果。

根据球形机器人的运动特性，可以将其分为平移和旋转两个运动形式。对于平移运动，可以利用再生阻尼技术对机器人滚动过程中产生的惯性力进行回收。具体来说，通过安装发电机或制动器，将惯性力转换为电能存储在电池中，从而实现能量回收。

对于旋转运动，可以通过控制转速来实现节能。采用传统的速度控制方法，往往会造成能量的浪费。而如果采用基于再生阻尼的控制方法，可以将旋转过程中产生的机械能存储起来，从而达到节能的效果。具体来说，可以在机器人轮体中安装电动机和制动器，通过电动机驱动轮体旋转，同时利用制动器对轮体进行制动，将轮体旋转时产生的机械能转换为电能存储起来。

总之，基于再生阻尼的球形机器人滚动速度节能控制可以有效地减少机器人的能量消耗，提高机器人的运动效率和稳定性，具有重要的研究意义和应用前景。

球形机器人的产业化应用实践

近年来，国内外对于球形机器人有不少企业开始进行探索实践。例如Sphero公司就开发了一款专为教育和娱乐而设计的小型球形机器人，这也是全球少数卖起量的球形机器人。这款机器人采取了透明塑料的球形外壳、发光的 RGB LED 面板、JavaScript Wiki 页面以及教程和项目数据库，与其说这款卖149.99美元的产品是机器人，如果说它走向了一条编程玩具的路线，并快速将产品范围扩展到其它编程玩具上。

Sphero公司的一些技术还是具有参考价值。例如为了保持平衡，Sphero公司使用更低成本的 IMU来读取加速度计（测量加速度）、陀螺仪（旋转速度），并通过两个编码器（跟踪运动和距离）和两个电机来处理机械运动。Bolt自身内部像一个云台，通过旋转以保持平衡，使其光矩阵能时刻保持在顶部，动力元件保持在底部。

又例如Revolute Robotics的混合移动机器人 (HMR)则代表了另外一种路线，即采取具有一定程度的可变形性的轻质外骨骼作为骨架而非封闭结构，这种笼状球形结构更加轻便而且易于携带，不仅可以向任何方向滚动，并可以使用两个陀螺仪万向环像多旋翼飞行器一样低空飞行。这种混合模态的运动方式，也使得机器人有助于避开障碍物或飞越障碍物，还能实现弹跳。由于非常轻便，这款HMR 在地面上滚动可将运行时间延长五倍以上，以节省能源。

在我国，宋纪元和他的伙伴们研发的智能全地形球形机器人打破了业界对机器人的认知，也掀开了西咸新区科技创新硬实力的一角。“一代机直径300毫米，三代机已做到（直径）600毫米。”宋纪元说，智能全地形球形机器人较履带式、轮式、腿足式等传统机器人，采取全封闭式结构，有重摆偏心、飞轮增稳、刹车越障、水陆两栖等优势，“已申报2项国家发明专利，其中1项已得到授权，现在正在渭南一家天然气企业试点应用，执行管廊巡检任务，反馈不错”。

宋纪元介绍，他们的球形机器人主要应用场景包括产业园区巡检、生态环境监测等。以化工厂巡检为例，众所周知，易燃易爆气体对人体有危害，而球形机器人就能代替人工巡检，消除人工作业的安全隐患。

在国内外的大多研究中，认为球形机器人不论从成本、效能还是体积和稳定性上都有更强的优势，非常适合在非友好环境下长时间执行巡逻、监控、探测、救生、对抗、处置，以及查打一体等多种任务。但球形机器人目前依然面临一些挑战。例如在技术上，想要确保机器人在运动过程中保持稳定，需要更进一步解决平衡与稳定的问题；例如为了提高机器人的适应性，还需要为更复杂的运动模式开发精确的控制算法和硬件；还有在续航方面，可能还需要更加优秀能提供为机器人的运动和内部组件高效供电的电源管理方法。

球形机器人会达到一个什么量级的市场规模，借用逻腾科技创始人、浙江大学博导王酉教授的一个看法：“球形机器人会与四足以及腿足机器人的市场规模相当，是一个千亿级别的庞大需求市场。球形机器人与四足、多足机器人比较，其滚动的运动方式摩擦力极小，能量效率是腿足机器人的8~9倍，并且可以连续工作10小时，行驶120公里，虽然在爬楼梯等极个别场景中存在一定的缺陷，但是在大部分移动场景中，其优势格外突出。因此，不论从成本，还是效能，球形机器人的应用较之四足、多足机器人都有着明显的优势。”

文章来源： 机器人大讲堂，西咸新区沣西新城，大壮实验室，一杯清茗317