1.3.1 外驱球形机器人

人类的发明创造大多来自于生物运动带给人类的灵感，如基于自然界中某些生物和几何结构的一些特性，建立了类似打蛋器（Eggbemer）、蒲公英（Dandelion）、风滚草（Tumbleweed）、充气球（Inflatable Tumbleweed）以及箱形风筝（Box-Kite）结构的球形机器人模型[12,13]。图1.1所示为足球大小的球形“风滚草”，诸多研究者从球形“风滚草”得到研制外驱球形机器人的启发和灵感。

2002年，美国南加利福尼亚大学宇航与机械工程学院的学者WANG H和YANG B，以及喷气动力实验室（Jet Propulsion Laboratory, JPL）的JONES J A等人研究了一种具有弹性膨胀气囊的球形机器人[14]。通过分析风力载荷驱动下的球形机器人在斜面上的运动情况，得到了一些初步理论成果：球体的形状、重心、球体接触面积之间存在一些函数关系。JPL研制的“风滚草”机器人如图1.2所示。

美国宇航局兰利研究中心（LaRC）的研究人员于2000年开始研究几种不同结构形式的球形机器人：Wedges、Eggbeater、Box-Kite、Dandelion、Hamster-Ball和Tumble-Cup等，并对球形机器人被困于多岩石斜面的静态平衡和机器人与岩石碰撞的情况进行了简化动力学分析，得到了风速、球体半径、坡度倾角和障碍物高度对于机器人越障性能影响的函数关系图像，以及球体与岩石发生碰撞后的运动轨迹图像。运用蒙特卡洛方法（Monte Carlo simulation）对“风滚草”机器人在多岩石环境的巡游进行了仿真研究[15,16]，其样机模型如图1.3所示。

芬兰赫尔辛基工业大学（Helsinki University of Technology, TKK）的HALME A和SUOMELA J等人对基于俄罗斯蓟（Russian Thistle）的球形机器人进行了较深入的研究，对风驱动和电机驱动相结合的球形机器人的运动性能进行了初步探索，并于2006年发表了外驱球形机器人和内驱球形机器人对比分析的研究论文。论文中对两种机器人的运动能力、越障性能及路径规划方法进行了评价[17]。研究结果表明，直径为6m的机器人在风力驱动下和在电机驱动下有相似的运动性能，而直径为1.5～3m的机器人采用电机驱动比风力驱动更有效。带刺球形蓟的模型如图1.4所示，内驱动和外驱动的蓟式球形机器人分析图如图1.5所示。

日本学者Kodai Suzuki、Mikhail Svinin、Igor Goncharenko等对外驱球体运动的动力学模型、运动路径规划等也进行了较深入的理论分析和实验研究，并取得了较有价值的成果[18,19]。外驱球体运动模型图如图1.6所示。

西安电子科技大学李团结、李晓峰等在国家自然科学基金项目的资助下，提出了一种内外驱动兼备的球形机器人模型。这种机器人采用充气球式结构，以外部自然风力为主要驱动力，内部电机驱动为辅助控制，兼具内驱动和外驱动优点，从而很好地解决了能源供给和自主运动的问题。该机器人合理的外形结构使其能在外部风力驱动下进行滚动巡游，在遇到障碍物或陷入困境时，可以通过启动内部驱动装置来调整位置姿态，以越过或者避开障碍物或摆脱困境[20]。

大量的研究文献表明：单纯依靠自然风能为驱动力的球形机器人，虽然绕开了能源供给的问题，但由于其运动的自主性较差，风能利用率较低，所以不能很好地执行和完成既定的任务，在实际应用中难以得到推广应用。