1.1 研究背景

目前，世界上对机器人尚无统一的严格定义，美国机器人协会（Robot Institute of American）将机器人定义为：“机器人是一种用来移动材料、零件、工具或特定装置的可重新编程的多功能操作器，可以通过改变编程来执行不同的任务[2]。”由于机器人对周围环境和任务要求具有很强的适应性，所以越来越多的工农业领域利用机器人来完成各种生产作业任务。机器人已广泛地应用于汽车、机械加工、电子及塑料制品等工业领域中。随着科学技术的发展，机器人的应用领域也随之不断扩大。在工业生产中，焊接机器人、装配机器人、喷涂机器人及搬运机器人等已被大量采用。同时，机器人也成为人类探索与开发宇宙、海洋以及地下未知世界的有力工具，如利用各种舱内作业机器人、登陆星球探测车和作业车等开发和利用外界星球的物质资源；利用水下机器人进行海底探测与开发、海洋资源开采与利用、水下作业和海洋救生等。另外，在未来战争中，机器人将起到越来越重要的作用，如扫雷机器人、侦察机器人等。可以说，在当今世界上，机器人的应用已无处不在[3]。

在机器人的应用领域，存在地形复杂、环境多变的情形，如各式各样的障碍物或沟渠等，这就要求机器人具有很强的机动性和灵活性。因此，设计开发一种行走速度快、越野性能好并能全方位运动的机器人变得日益重要，一种新型的机器人——球形机器人应运而生[4]。由于球形机器人所有零部件都封装在一个球壳内，因此，其内部部件可以得到球壳的可靠保护；而机器人的球形结构可以使其内部体积利用率最大化，也可以抵抗外部碰触或内部过压，这种特性对于水下或太空应用是非常有利的[5]。

20世纪90年代，美国、芬兰等国家的研究者开始着手研究、试制球形机器人，球形机器人的研究逐渐为各国研究者所重视，已成为国际上一个新兴的研究热点。尽管国内外已有不少成功设计的球形机器人，其驱动机构也多种多样，但在球形机器人研究中，其驱动原理尚未产生突破性进展。迄今为止，还没有一种驱动方式为大家所公推，有关球形机器人的结构和驱动方式的研究，还没有一套成熟的理论体系[6]。

球形机器人的理论基础是非完整约束系统，近些年来对非完整约束系统的研究逐渐成为一个热点研究领域。非完整约束系统的广义坐标虽然是相互独立的，但广义速度之间并非相互独立，因此，它们必须满足非完整约束的条件。非完整现象可用于设计有某种特定特征和性能要求的机械系统。在实际应用中，有很多机器人涉及这种系统，如轮式机器人、太空飞船、水下机器人等。非完整约束系统的最大优点是可以在机械系统中用比较少的执行部件控制数量更多的结构，这对于减少系统的重量和成本是有帮助的，并可以提高系统的可靠性。总之，非完整约束系统是一种有重要意义的非线性系统，对于一些用近似的线性理论无法解决的非线性问题，应用非完整约束系统可以在不破坏系统结构特性的前提下给出比较满意的解决方案。

球形机器人的控制策略也是当今机器人领域极具挑战性的研究课题。一方面，由于球形机器人属于非完整约束系统，不适合采用传统的“状态反馈控制”方法；另一方面，球形机器人的运动特性无法转换为“链式系统”，链式控制算法也就无法适用其中。因此，尽管各国的研究者尝试解决这一难题，并提出了各种解决方案，但到目前为止，对球形机器人的控制尚无成熟、完善的理论[7]。

本书研究以山东省自然科学基金项目“射流驱动球形机器人的研究（2009ZRA01105）”、泰安市科技发展计划项目“球形机器人射流驱动原理及产品开发研究（20083002）”、泰安市科技发展计划项目“环境探测球形机器人科研平台的构建（201320629）、”泰安市科技发展计划项目“电磁驱动球形机器人动力性能研究（2020ZC313）”、泰山学院引进人才科研启动基金项目“球形机器人驱动原理及仿真研究（Y-01-2013010）”为依托，在充分借鉴国内外球形机器人研究经验的基础上，提出了几种新型的球形机器人驱动原理方案。与目前国内外出现的所有驱动原理相比，其结构十分简洁、可靠性高、运动灵活性好、运动控制易于实现、响应速度快、适用范围广，且能实现真正意义的全向性驱动，对球形机器人的驱动原理可产生较大的推动作用；同时，在球形机器人的控制策略方面，基于自适应的“滑模控制”方法，建立了可行的控制算法，在保证球形机器人优点的同时，减少球形机器人的“抖动”，这些工作包括控制算法的实现、虚拟样机的研究、模拟仿真实验、无线通信的实现等。