這兩天，一臺圓滾滾的警用球形機器人街上巡邏的影片火了！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，據報道，中國這款球形機器人能跟蹤、格鬥、抓捕、水陸兩棲、查打一體
▲機器狗：哥們，聽說你想搶佔我的工作？
這個警用球形物體，不止把我驚呆了，很多國外媒體看到後也備受震驚。這麼一個球，怎麼能做到格鬥抓捕、查打一體？
▲蘇聯曾經想象過球形坦克
▲據說這款機器人是浙江大學參與研發的。
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，比如《遺落戰境》中有一種自動巡航的查打一體球形機器人，《超級戰艦》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實。
球形機器人是一種以球形為基本形態的機器人系統，它通常由球殼+球體組成，外殼可以封裝例如電機、、控制器和電源等各種內部元件，內部主要採取質心旋轉機構。
運動方式簡單來說就是以改變機器人重心的方式並激活內部驅動電機，這不僅賦予了球形機器人高度的靈活性，還使其能夠在複雜地形和狹窄空間中自如穿梭。
例如，美國MIT提出的“智慧倉鼠球”理念，就是透過改變質心位置使機器人能夠沿指定方向滾動。
▲智慧倉鼠球試驗模型
球形機器人要想保持平衡其實並不容易，對於人來說，保持身體平衡或許是個極其簡單的事，比如說，當你站在公交車上，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平衡。
人之所以能迅速恢復平衡，是因為人的耳朵裡有一個前庭系統，它能夠感知身體的傾斜和加速度，並迅速調動肌肉調整姿態，可這種能力對於機器來說就很難了。
而球形機器人保持穩定的訣竅就在於它的“前庭系統”——陀螺儀感測器，熟悉武器裝備的網友都知道，陀螺儀最早被用於航空航天領域，主要是用來幫助飛機、導彈等航空器感知姿態。
陀螺儀的工作原理可以用一個經典實驗來說明，當你拿一個快速旋轉的陀螺，它的轉軸方向會保持穩定，哪怕你輕輕推它，它也不會輕易改變方向。
也就是說，一個高速旋轉的物體（比如陀螺）會傾向於保持其旋轉軸的方向不變，這種特性被科學家用來設計能夠感知物體姿態變化的陀螺儀。
▲波音737上的霍尼韋爾vg-311垂直陀螺儀
在球形機器人內部，就安裝著陀螺儀，它會不斷監視機器人的姿態資訊，當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，並迅速將這些資料傳遞給機器人內部的控制系統。
比如說，當高速旋轉的陀螺前傾時，控制系統就會知道機器人可能正在下坡，需要減速向後調整；當陀螺後仰時，控制系統就會知道機器人可能正在上坡，需要立即加速向前調整。
早期的機械式陀螺儀比較大，隨著電子技術的進步，目前微機電系統陀螺儀已取代了傳統機械陀螺儀，廣泛應用在咱們的手機、小型無人機等上。
這種小型化的感測器可以檢測到物體的傾斜角度、旋轉速度，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次的頻率重新整理姿態資料。
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秒內重新調整重心。
不過，感知傾斜只是第一步，要真正“穩住”，球形機器人還需要強大的動態平衡控制系統，也就是它的“大腦中樞”，它主要負責分析陀螺儀傳回的資料，並計算出如何快速調整姿態。
要說起動態平衡，那就必須先得把“倒立擺”理論講清楚，舉個例子來說吧，一個長杆立在滾動的小車上，當小車移動時，杆子會傾斜。為了保持杆子不倒，小車需要不斷調整自己的位置，保持重心穩定。
球形機器人內部的動態平衡系統，就是用演算法模擬了這種行為，它主要是透過快速調整滾動方向和加速度來讓自己保持平衡。
舉個簡單例子：當機器人向前傾斜時，控制系統會指揮後部的驅動模組加速滾動，把重心往後拉；如果向左側傾斜，系統會讓右側的模組發力，重新平衡。
通常，動態平衡系統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資料，然後控制系統使用PID控制之類的複雜數學演算法，計算出需要調整的方向和力度，最後驅動裝置根據指令快速補償運動，把機器人拉回重心。
由於動態平衡系統的反應速度極快，從感知到執行只需幾毫秒，因此即使機器人受到突然衝擊，也能穩如泰山。
光是站穩還不夠，球形機器人最大的亮點在於它可以自由滾動，隨時改變方向，甚至原地轉圈，這就要歸功於它獨特的球輪驅動系統了。
球形機器人的外殼是一個高強度的球體，內部則是一套複雜的驅動模組，這套模組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。
這套裝置的靈感應該來源於兩樣東西，一種是咱們早些年用的球滑鼠，其中的小球能夠感應手的推動方向，實現游標移動；另一種就是空氣曲棍球桌，主要透過控制摩擦力讓球滑動，模擬自由運動。
球形機器人內部通常包含3-4個獨立電機，這些電機連線到特定的驅動滾輪上，透過調整滾輪的轉速和轉向，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後退；左右滾輪差速運動，機器人就可以轉彎；相對方向的滾輪同時反向旋轉時，機器人就能原地旋轉。
▲某型球形機器人內部構型
所以說，正是球形機器人的“耳朵”（陀螺儀）、“大腦”（動態平衡控制系統）和“腳”（球輪驅動系統）完美協作，共同賦予了它“不倒金身”和“靈活身手”。
關於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，當時文章介紹了一種帶有內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、動力學和控制策略。
▲帶有內部全向輪的球形機器人
不過，由於技術相對複雜，球形機器人的研究和實際產業化程序一直落後於其它類別的機器人。
直到2011年，MIT提出了“倉鼠球”概念，即像倉鼠那樣，透過在機械上使用一種兩軸萬向節，實現了任意改變機器人的質心位置，又採用了類似無人機雲臺的穩定機構，從而實現球形機器人能朝著一個方向穩定滾動，這項研究也被認為是球形機器人實際應用的起點。
據悉，我國這個上街巡邏的球形機器人是鹿城公安和浙江大學控制科學與工程學院共同研發的，型號是RG-T，其工作原理應該跟“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《超級戰艦》，電影裡球形機器人是外星戰艦的撒手鐧，威力恐怖。
