這兩天，一臺圓滾滾的警用球形機器人街上巡邏的視頻火了！這個奇特的造型，讓我瞬間想到科幻電影中的那些球形機器人，據(jù)報道，中國這款球形機器人能跟蹤、格斗、抓捕、水陸兩棲、查打一體
這個警用球形物體，不止把我驚呆了，很多國外媒體看到后也備受震驚。這么一個球，怎么能做到格斗抓捕、查打一體？
▲蘇聯(lián)曾經(jīng)想象過球形坦克
▲據(jù)說這款機器人是浙江大學(xué)參與研發(fā)的。
球形機器人的原理
類似的球形機器人在很多科幻電影中都有出現(xiàn)，比如《遺落戰(zhàn)境》中有一種自動巡航的查打一體球形機器人，《超級戰(zhàn)艦》中外星人有一種可以四處撞毀飛機坦克的球/輪式武器。
而如今，球形機器人算是走進了現(xiàn)實。
球形機器人是一種以球形為基本形態(tài)的機器人系統(tǒng)，它通常由球殼+球體組成，外殼可以封裝例如電機、傳感器、控制器和電源等各種內(nèi)部組件，內(nèi)部主要采取質(zhì)心旋轉(zhuǎn)機構(gòu)。
運動方式簡單來說就是以改變機器人重心的方式并激活內(nèi)部驅(qū)動電機，這不僅賦予了球形機器人高度的靈活性，還使其能夠在復(fù)雜地形和狹窄空間中自如穿梭。
例如，美國MIT提出的“智能倉鼠球”理念，就是通過改變質(zhì)心位置使機器人能夠沿指定方向滾動。
▲智能倉鼠球試驗?zāi)Ｐ?br/>
球形機器人要想保持平衡其實并不容易，對于人來說，保持身體平衡或許是個極其簡單的事，比如說，當(dāng)你站在公交車上，車突然啟動或剎車時，你或許會打個趔趄，但你肯定馬上就能恢復(fù)平衡。
人之所以能迅速恢復(fù)平衡，是因為人的耳朵里有一個前庭系統(tǒng)，它能夠感知身體的傾斜和加速度，并迅速調(diào)動肌肉調(diào)整姿態(tài)，可這種能力對于機器來說就很難了。
而球形機器人保持穩(wěn)定的訣竅就在于它的“前庭系統(tǒng)”陀螺儀傳感器，熟悉武器裝備的網(wǎng)友都知道，陀螺儀最早被用于航空航天領(lǐng)域，主要是用來幫助飛機、導(dǎo)彈等航空器感知姿態(tài)。
陀螺儀的工作原理可以用一個經(jīng)典實驗來說明，當(dāng)你拿一個快速旋轉(zhuǎn)的陀螺，它的轉(zhuǎn)軸方向會保持穩(wěn)定，哪怕你輕輕推它，它也不會輕易改變方向。
也就是說，一個高速旋轉(zhuǎn)的物體（比如陀螺）會傾向于保持其旋轉(zhuǎn)軸的方向不變，這種特性被科學(xué)家用來設(shè)計能夠感知物體姿態(tài)變化的陀螺儀。
▲波音737上的霍尼韋爾vg-311垂直陀螺儀
在球形機器人內(nèi)部，就安裝著陀螺儀，它會不斷監(jiān)視機器人的姿態(tài)信息，當(dāng)機器人受到外力或行駛到傾斜地面時，陀螺儀會感知到角度的變化，并迅速將這些數(shù)據(jù)傳遞給機器人內(nèi)部的控制系統(tǒng)。
比如說，當(dāng)高速旋轉(zhuǎn)的陀螺前傾時，控制系統(tǒng)就會知道機器人可能正在下坡，需要減速向后調(diào)整；當(dāng)陀螺后仰時，控制系統(tǒng)就會知道機器人可能正在上坡，需要立即加速向前調(diào)整。
早期的機械式陀螺儀比較大，隨著電子技術(shù)的進步，目前微機電系統(tǒng)陀螺儀已取代了傳統(tǒng)機械陀螺儀，廣泛應(yīng)用在咱們的手機、小型無人機等上。
這種小型化的傳感器可以檢測到物體的傾斜角度、旋轉(zhuǎn)速度，甚至是細微的抖動，精度可達0.01度，像在這款球形機器人的實驗中，配備的陀螺儀就能夠以每秒1000次的頻率刷新姿態(tài)數(shù)據(jù)。
有了這種超高速的感知能力，機器人不但能快速感知任何微小的失衡，即使受到意外撞擊時，它也能在0.1秒內(nèi)重新調(diào)整重心。
不過，感知傾斜只是第一步，要真正“穩(wěn)住”，球形機器人還需要強大的動態(tài)平衡控制系統(tǒng)，也就是它的“大腦中樞”，它主要負責(zé)分析陀螺儀傳回的數(shù)據(jù)，并計算出如何快速調(diào)整姿態(tài)。
要說起動態(tài)平衡，那就必須先得把“倒立擺”理論講清楚，舉個例子來說吧，一個長桿立在滾動的小車上，當(dāng)小車移動時，桿子會傾斜。為了保持桿子不倒，小車需要不斷調(diào)整自己的位置，保持重心穩(wěn)定。
球形機器人內(nèi)部的動態(tài)平衡系統(tǒng)，就是用算法模擬了這種行為，它主要是通過快速調(diào)整滾動方向和加速度來讓自己保持平衡。
舉個簡單例子：當(dāng)機器人向前傾斜時，控制系統(tǒng)會指揮后部的驅(qū)動模塊加速滾動，把重心往后拉；如果向左側(cè)傾斜，系統(tǒng)會讓右側(cè)的模塊發(fā)力，重新平衡。
通常，動態(tài)平衡系統(tǒng)的工作大體可以分為三個步驟，首先是陀螺儀提供實時的傾斜和加速度數(shù)據(jù)，然后控制系統(tǒng)使用PID控制之類的復(fù)雜數(shù)學(xué)算法，計算出需要調(diào)整的方向和力度，最后驅(qū)動裝置根據(jù)指令快速補償運動，把機器人拉回重心。
由于動態(tài)平衡系統(tǒng)的反應(yīng)速度極快，從感知到執(zhí)行只需幾毫秒，因此即使機器人受到突然沖擊，也能穩(wěn)如泰山。
光是站穩(wěn)還不夠，球形機器人最大的亮點在于它可以自由滾動，隨時改變方向，甚至原地轉(zhuǎn)圈，這就要歸功于它獨特的球輪驅(qū)動系統(tǒng)了。
球形機器人的外殼是一個高強度的球體，內(nèi)部則是一套復(fù)雜的驅(qū)動模塊，這套模塊通常由多個電動滾輪組成，每個滾輪都能獨立控制方向和速度。
這套裝置的靈感應(yīng)該來源于兩樣?xùn)|西，一種是咱們早些年用的球鼠標(biāo)，其中的小球能夠感應(yīng)手的推動方向，實現(xiàn)光標(biāo)移動；另一種就是空氣曲棍球桌，主要通過控制摩擦力讓球滑動，模擬自由運動。
球形機器人內(nèi)部通常包含3-4個獨立電機，這些電機連接到特定的驅(qū)動滾輪上，通過調(diào)整滾輪的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向，機器人就可以靈活精準地走位了。
比如說，所有滾輪同步加速或減速，就會讓機器人前進或后退；左右滾輪差速運動，機器人就可以轉(zhuǎn)彎；相對方向的滾輪同時反向旋轉(zhuǎn)時，機器人就能原地旋轉(zhuǎn)。
▲某型球形機器人內(nèi)部構(gòu)型
所以說，正是球形機器人的“耳朵”（陀螺儀）、“大腦”（動態(tài)平衡控制系統(tǒng)）和“腳”（球輪驅(qū)動系統(tǒng)）完美協(xié)作，共同賦予了它“不倒金身”和“靈活身手”。
關(guān)于球形機器人的研究最早可以追溯到一篇1995年IEEE ICRA上的文章，當(dāng)時文章介紹了一種帶有內(nèi)部全向輪的球形機器人的概念，討論了球形機器人的運動學(xué)、動力學(xué)和控制策略。
▲帶有內(nèi)部全向輪的球形機器人
不過，由于技術(shù)相對復(fù)雜，球形機器人的研究和實際產(chǎn)業(yè)化進程一直落后于其它類別的機器人。
直到2011年，MIT提出了“倉鼠球”概念，即像倉鼠那樣，通過在機械上使用一種兩軸萬向節(jié)，實現(xiàn)了任意改變機器人的質(zhì)心位置，又采用了類似無人機云臺的穩(wěn)定機構(gòu)，從而實現(xiàn)球形機器人能朝著一個方向穩(wěn)定滾動，這項研究也被認為是球形機器人實際應(yīng)用的起點。
據(jù)悉，我國這個上街巡邏的球形機器人是鹿城公安和浙江大學(xué)控制科學(xué)與工程學(xué)院共同研發(fā)的，型號是RG-T，其工作原理應(yīng)該跟“倉鼠球”類似。
很多外國朋友說這個球形警用機器人是照著科幻電影來的，他們說的電影就是2012年美國上映的《超級戰(zhàn)艦》，電影里球形機器人是外星戰(zhàn)艦的撒手锏，威力恐怖。
