学习球形机器人

学习球形机器人

20210112

也是无意之中，就接触到了球形机器人的话题。也不是一下子就触及到了的，开始的时候是先看的陀螺球，一种游戏，然后看到的是电影里的场景，接下来才看到了球形机器人，以及LG、三星、腾讯等公司的球形机器人。

陀螺球游戏 侏罗纪公园球形观光车 星球大战BB8 腾讯微宝 LG Bot球形监控机器人 Gita 能自动跟随的小型搬运机器人

类似的还有一些，但是如果把这些统统都叫成“球形机器人”似乎又有些勉强。文献中有一些关于球形机器人的定义和解释说明。

战强 贾川 马晓辉 陈明等人的《一种球形移动机器人的运动性能分析》一文中是这样说的：

球形移动机器人是近几年才出现的一种新的机器人机构形式，它是一种将运动机构和控制器件包含在一个球形壳体内的机器人系统的总称。球形移动机器人具有类似不倒翁的特性，在静态和动态运动情况下都可以保持系统的平衡与稳定，且不存在失稳状态，即使是与静态或动态的障碍发生碰撞也会在经过短暂的不规则运动后恢复稳态，所以这类机器人非常适合在缺少人为干预的环境中运动，如外太空环境、野外环境等。此外，由于球形移动机器人可以将所有的机构、器件密封在球形壳体内，以阻止外部恶劣环境对机器人内部器件造成损害，所以它也非常适合在潮湿、多尘土、多辐射或有毒的环境中执行任务。

赵勃 王鹏飞 孙立宁 李满天等人在《双偏心质量块驱动球形机器人的直线运动控制》一文中是这样说的：

球形机器人是一种以滚动方式行走的新型移动机器人，与传统的轮式与足式球形机器人相比，球形机器人有其独特的结构和运动原理。结构上，球形机器人的外壳呈球形或近似球形，其他机构、器件都封装在球壳内，阻止了外部环境对部件造成损害。

孙汉旭 赵伟 张延恒在《新型变结构球形机器人运动分析》一文中是这样说的：

球形机器人是一种结构全封闭，控制系统、电动机和电源模块都包含在作为运动机构的球形外壳内部的移动机器人。以其结构简单、不存在倾倒问题、零转弯半径、运行效率高等优点受到国内外学者关注。

刘欢，张云伟，代进轮等人在《一种新型球形机器人虚拟样机的设计及运动仿真》一文中是这样说的：

球形机器人由内部驱动装置和球形外壳组成,运动方式是滚动｡具有空间占比低､运动转弯灵活､行驶阻力小､抗倾翻能力强的优点,适合行驶在各种恶劣环境中,备受国内外研究者的关注｡

总之，对于球形机器人的定义和说明，可以归纳为以下几条：

        具有球形的外壳，所有的组成元件都包裹在球形外壳的内部。

        作为一个整体单元，具有行走、转向、受控等功能。

        内部有驱动单元，电力单元，控制单元等。

对于球形机器人，资料上有很多的论述，从1996年芬兰学者制造出第一个球形机器人之后，又有多种形式的类似的产品出现。

球形机器人总体上按驱动方式分成两大类：

        偏心力矩驱动

        角动量守恒驱动

在每一种形式中，又有多种形式的结构设计。

有资料总结了一些典型结构形式的球形机器人。

几种球形机器人比较

几种球形机器人比较

同时也根据一些资料，概要的汇总了国内外球形机器人的研制情况。

国外研究情况

国内研究情况

根据对资料的学习和体会，再重新分析前面的实例，有一些结构形式，并不是球形机器人。在给出的实例中，只有腾讯的微宝和游戏中的陀螺球，可以称之为球形机器人，而其他的形式，比如侏罗纪公园中的观光车，LG Bot球形监控机器人，以及Gita的小型搬运机器人，都不能算是球形机器人，更像是一个移动的车轮，而这个车轮通常又是两个轮子的组合体。两个轮子同向同速运动，形成直线运动；两个轮子同向差动运动，形成转弯运动；两个轮子反向差动运动，形成转向或自转运动。至于星球大战的BB8，还真不知道归于什么类型。

球形机器人发展的时间不长，不仅是在结构形式上，在理论上也是如此。肖爱平 孙汉旭 廖启征 谭月胜等在《一种球形机器人的运动特性分析》对此有相关的论述：

球形机器人在平面上的运动可以简化为力学中平面-球运动系统中的一种，这种平面一球运动系统是一个2输入、5变量参数系统。该系统的自由度为3，所以球形机器人-平面运动系统为一个欠驱动系统，同时它又是一个非完整系统。所为非完整约束，即约束是用不可积分的微分方程来表示，非完整约束会导致轨迹规划，以及该运动系统反馈稳定性的控制算法设计变得复杂。为了控制非完整系统，要求我们所做的轨迹规划能够满足约束条件。欠驱动是指驱动元件数目小于独立自由度。国内外有一些学者对球-平面运动系统进行过研究，得出以下结论：1.这种系统是可控制的、本质非线性的，系统的非完整自由度为3；2.肝系统不能通过静态反馈线性化，也不能平滑稳定于一个平衡点；3.它不是光滑可微的，不能化为零次幂，它不能转化为链式结构，也不能被精确离散化；4.通过坐标转换和平稳状态反馈，它能被归入严格的三角问题。

并根据相关文献汇总了如下结论

关于平面-球运动学系统的两个事实：

1.任何具有4状态且至少两个输入的系统都能转化为链式机构，可以化为零次幂并光滑可微。规划和控制这类系统的问题至少在理论上已经得到了很好的解决。但是平面-球系统不能被转化为链式机构，目前没有提出系统化的规划/控制算法。平面-球系统代表了最简单的一种系统。

2.Brockett、Dai和Jurdjevic研究了球在平面上滚动的最短路径问题。这些作者都证明了这个问题与经典数学问题有着非常密切的联系，正式的论文讨论了椭圆函数在解答这个问题时的作用，后来又阐述了与著名的欧拉elastica问题的等价性。有文献对球形机器人“August”的主动力矩和转动惯量进行了初步分析。Cardo Camicia等基于两个假设对内部小车作为驱动的球形机器人的运动学和动力学进行了分析：a1.球形机器人只滚不滑；a2.假设不绕竖直轴转动。假设a2简化了分析，但与球形机器人实际运动情况出入加大，绕竖直轴的转动实际上无法忽略。还有文献认为这类系统没有系统化的解决方法，Ranjan M等制作了一种配重沿辐条运动改变重心位置的球形机器人，分析控制单输入是球形机器人在平面上左直线运动和圆周运动时的特殊运动学模型，利用球面三角法规划运动轨迹，采用开环控制。

总之，通过学习，对球形机器人有了一些认知，也算是一种与时俱进，紧跟时代的步伐。