NASA同款！哈工大團隊最新球形機器人曝光！未來要上火星

未來星球探測，可能會有一顆球成為主角。它能穿越沙丘、翻越環形山，甚至飛越峽谷洞穴。

“嫦娥六號”月背采樣震撼世界，“天問一號”火星探測穩步推進，隨著人類深空探索步伐加速，星球表面探測任務正變得日益復雜。傳統輪式或輪腿式探測器就像規規矩矩的越野車，在平地表現穩健，一旦遇到星表遍布的沙丘、環形山和撞擊坑，就容易卡殼。

這時候，一顆能滾、能跳、能思考的球形機器人，或許就是答案。它在平地可快速滾動、遇障可靈活彈跳，既能趕路，又能應對極端地形。得益于渾然一體的外殼和巧妙的內驅設計，它還不易翻車、能耗更低，堪稱“自帶上坡勁、滿電即遠征”的多面手。

最近，哈工大機器人技術與系統全國重點實驗室研究團隊在核心期刊《機器人》上發表綜述，系統梳理了這類球形機器人的身體構造、運動秘訣以及關鍵技術。或許不用太久，這樣一顆“全能探險家”就將登陸外星，帶我們去看那些輪子到不了的風景。

一、不止是“一顆球”：球形機器人的百變形態

你以為球形機器人就只是個圓殼子？那可就小看它了。

自1996年芬蘭赫爾辛基工業大學首個球形機器人問世以來，它的體型早已進化出多種形態，就像星際探險家會為不同任務換上不同裝備。

球形機器人的主要構形

目前最常見的仍是經典正球形殼，它就像一個不倒翁，碰撞后能自行復位，在斜坡上也不易翻車。更妙的是，它與地面是點接觸，滾動阻力比輪子小得多，堪稱長途奔襲的節能高手。密閉的球殼還能在沙塵、輻射等惡劣環境中，為嬌貴的內部儀器提供完美保護。

不過，任務千變萬化，球也不能總一個樣。于是，科學家們設計出了橢球形殼機器人。這種構型能更契合內部元件，塞進更多傳感器和驅動裝置。運動起來也很有意思，它在垂直長軸方向上滾動更靈活、加速更快，而在垂直短軸方向則更穩定，甚至能安心地在斜坡上橫向移動。

當單一滾動模式不夠用時，變形球殼便閃亮登場。這類機器人能“變形”，比如伸出腿腳切換成步行模式，或者展開半球殼體。有的還能改變自身直徑，通過調整外殼剛度，像擁有智能懸掛一樣緩沖沖擊。這保留了滾動高效的優勢，又顯著增強了復雜地形的通過性。

各類變形機器人特性

還有一種腦洞大開的張拉結構球形機器人。它就像用繩索和桿件編織成的鋼絲球，既柔韌又結實，還特別輕。2013年NASA提出的一體化著陸和移動平臺Super Ball Bot（SBB）就用了這種結構，它能在著陸時能像彈力球一樣吸收沖擊，攤開后就能滾動前進，特別適合需要“打包發射、到站展開”的深空任務。

從標準圓球到可變形戰士，球形機器人的身體早已為適應各種外星嚴酷環境，做好了準備。

二、驅動方式：球形機器人如何動起來？

有了百變的外形，下一個關鍵問題是：如何讓這顆球聽話地動起來？

幾十年來，科學家們想出了各種妙招，從最初的簡單滾動驅動，進化為如今結合重力擺、跳躍驅動以及水陸兩棲能力混合驅動。

球形機器人驅動方式發展過程

(a) 獨輪車驅動；(b) “倉鼠球”驅動；(c) 機械跳躍驅動；(d) 飛輪驅動；(e) 單擺驅動；(f) 質量塊驅動；(g) 風力驅動；(h) 雙擺驅動；(i) 四旋翼驅動；(j) 球殼氣囊驅動；(k) 同軸旋翼驅動；(l) 飛輪跳躍驅動；(m) 球殼擺動驅動；(n) 化學跳躍驅動；(o) 正交旋翼驅動；(p) 多無人機驅動；(q) 混合驅動；(r) 水陸兩棲驅動

1.滾動：最本能的移動藝術

滾動是球形機器人基于自身幾何特性的天賦技能，但如何讓球聽話地滾向目標，科學家們想出了四類主流方案。

• 風驅：最省力的方式。給球裝上“風帆”或像蒲公英一樣的放射結構，就能在火星等多風星球上隨風遠征。它能源免費、續航無敵，但早期的“風滾草”只能聽天由命。為此，科學家給它加上了“剎車”和“方向盤”——通過充放氣囊主動駐停，或內置可移動重塊來調整重心、輔助轉向，甚至能利用滾動發電，實現能量自循環。

被動“風滾草”

具有主動驅動的“風滾草”

• 摩擦驅動：原理很直觀，就像在球殼內放置一個帶輪的小車，靠摩擦力帶動球體。從獨輪車、兩輪到全向輪組合，設計多樣。但它在崎嶇地形容易打滑空轉。為此，工程師們加入了配有正時皮帶的金屬環等巧思，讓“倉鼠車”跑得更穩。

獨輪車驅動球形機器人

“倉鼠球”球形機器人

穩定的摩擦驅動球形機器人

• 重力驅動：目前的主流方案之一。核心是在球內球體內部軸連接一個重力擺，通過控制其位置來改變球體重心，球體為找回平衡便會自然滾動。從單擺、雙擺到四擺，擺錘越多，操控越靈活，甚至能實現精準的全向移動。這種方式控制直觀，是許多球形機器人的“經典心臟”。

單擺驅動球形機器人

雙擺驅動球形機器人

其他重力驅動球形機器人

• 角動量驅動：最靈活的一類。其原理是利用角動量的變化實現靈活的滾動和轉向，通過讓內部飛輪高速旋轉，再利用突然制動或改變轉軸產生的反作用力來“撬動”球殼。從基礎的單飛輪結構，到在球殼內對稱布置多個電機實現全向驅動，再到采用響應更快的控制力矩陀螺儀（CMG），系統的靈活性與操控精度不斷提升。

角動量驅動球形機器人

2.跳躍：低重力星球的“輕功”

在月球、火星等低重力環境，跳躍比滾動有時更高效。實現跳躍的方式充滿巧思：

• 機械驅動：像給球裝上“彈簧腿”，通過電機壓縮彈簧或驅動連桿機構儲存能量，瞬間釋放即可彈跳而起。

機械式跳躍球形機器人

• 飛輪驅動：通過控制飛輪的制動方式，調整機器人的跳躍角度。2012年JPL、斯坦福大學和麻省理工學院共同研制的跳躍機器人“Hedgehog”就是基于這個原理，其可以大步跳躍、小步翻滾、快速旋轉、從地面發射跳起，從而逃離沙坑或其他可能被困住的情況。

“Hedgehog”的各個版本

• 化學驅動：甚至還有采用微型化學推進器的，如同在球內安裝了可控小火箭，實現爆發式跳躍或短途飛行。例如用于探索月球和火星洞穴及熔巖管的跳躍機器人Pit-Bot配備升力發動機和8個“溫氣”姿態控制推進器，實現在不同的環境中飛行跳躍并保持穩定。

Pit-Bot

3.飛行：球殼里的無人機
將無人機（同軸旋翼無人機/多旋翼無人機）封裝進球形保護罩內，誕生了能飛能滾的復合體。飛行模式用于跨越障礙、大范圍偵察；滾動模式用于地面精細作業、節省能源。球殼提供了絕佳的碰撞保護，讓無人機敢于在復雜狹窄空間內穿行。

同軸旋翼驅動

多旋翼驅動

突破“一個球殼配一架無人機”的傳統框架，多智能體球形無人機Shapeshifter則完全顛覆了以上設計，由多個獨立的含可控磁鐵的小型機器人Cobot組成，讓其自我組裝并進行形態變化，在飛行、滾動、游泳等多種模式間任意切換，以適應不同的任務需求和環境條件。

Shapeshifter

4.混合驅動：全能戰士的誕生

真正的“全能探險家”絕不偏科。于是，融合滾、跳、爬，甚至游泳能力的混合驅動球形機器人成為前沿方向。比如“重力擺+跳躍機構”讓球能滾則滾、遇障則跳；“滾輪+四旋翼”則實現了地面機動與空中視角的完美結合。雖然結構更復雜，但面對完全未知的外星地形，這種多模式適應能力無疑提供了更高的任務成功率。

混合驅動球形機器人

在球形機器人的設計中，每一項能力的提升往往伴隨著新的代價。為了更直觀地展現這些取舍與特點，各類驅動方式的詳細對比如下表所示：

三、控制與導航：從笨球變成智能球

能動起來還遠遠不夠，還要變得足夠智能，球形機器人才能真正獨立應對深空探索的挑戰。

1.運動控制：馴服這顆“不安分的球”

球形機器人本質上是一個欠驅動、非線性的復雜系統，控制它就像駕馭一顆活潑又倔強的彈珠。傳統PID控制是基本功，確保穩定滾動。但在未知崎嶇地形中，抗干擾能力極強的滑模控制更受青睞，它能像經驗豐富的騎手，任憑外界擾動也能牢牢穩住方向。如今，融合了滑模控制（SMC）、自適應神經模糊控制（ANFC）、神經網絡甚至強化學習的智能控制方法正成為趨勢，讓球形機器人能像學徒一樣，從環境中學習，自主優化行動策略，變得越來越聰明。

2.傳感系統：充當眼睛和小腦

自主導航離不開環境感知。IMU（慣性測量單元）是它的“內耳”，時刻感知自身姿態和加速度；編碼器則像“步數計數器”，精確測量輪子或關節的轉動。二者結合，機器人就能清楚地知道自己動了多遠、轉了多少。

要理解外部世界，則需要攝像頭、激光雷達（LiDAR） 等作為眼睛。通過SLAM（同步定位與地圖構建） 技術，球形機器人可以一邊探索未知環境，一邊實時繪制地圖并確定自己在圖中的位置，真正實現不迷路的自主探險。

四、未來已來：球形機器人的星際征途

那么，這樣一位“全能探險家”，在未來的星球探測中具體能做什么呢？它的舞臺遠超想象。

可以是復雜地形穿越者、采樣偵查多面手、洞穴峽谷探險家，也可以分工合作，覆蓋更大區域；互為通信，在復雜地形中構建可靠網絡；甚至可以通過數據共享，共同構建高精度環境地圖。

當然，要將這樣的機器人完美投入應用，還需克服一些挑戰。

他們需要有更高的自主性，即賦予機器人更強的自主決策和任務規劃能力，讓它能獨立應對突發情況；更強的環境適應性，需要發展更高效可靠的混合驅動機構與智能變形結構，實現一機多態，真正適應從細沙到硬巖、從平原到懸崖的極端環境；更巧的功能集成，需要通過精巧的結構設計和模塊化理念，在有限空間內集成更多科學儀器和功能模塊。

盡管前路仍有挑戰，但球形機器人所展現出的獨特優勢和巨大潛力令人振奮。隨著人工智能、新型材料和精密驅動技術的持續突破，或許在不久的將來，我們就能看到成群的智能球形機器人，在另一顆星球上自由滾跳。

論文鏈接：

https://robot.sia.cn/article/doi/10.13973/j.cnki.robot.240304?sessionid=