球形輪之相關研究與原理

寬，以加大輪距來穩定重心。如此，會大大限制機器人穿越房門，以及在家具或人們之 間的穿梭能力。表2-1 為針對其移動方式，所整理出來的機器人種類。

表2-1 機器人種類比較

［資料來源：科學人雜誌 第 57 期］

為了克服必須加大輪距的問題，R.L. Hollis 等人﹝T.B. Lauwers, G.A. Kantor﹞決 定以單一球形輪作為支撐腳和推進器，將其製作成高高瘦瘦、動作敏捷的機器人。由於 這機器人結構簡單，加上重心偏高，因此能往任何方向做快速移動。這套系統採主動式 平衡裝置，達到所謂的「動態穩定」，它必須不斷修正姿勢，來維持站立狀態。以此概 念設計而成的輪式行動機器人，研究者稱它為「圓球機器人」（ballbot）。

此研究小組已讓其所發展出之圓球機器人運作了一年多，研究其穩定性及在人類環 境中運作的適合度。

《圓球機器人平衡與行動原理》 國物理學家薩尼亞（Georges Sagnac）在 1913 年發現的現象。小型電腦會整合這三個 角速度，計算機器人身體俯仰（前後傾斜）、搖晃（左右傾斜）以及轉向（沿垂直軸旋 轉）的角度。

圖2-3 圓球機器人結構圖

﹝資料來源：科學人雜誌 NO.57,2006,11﹞

為回報正確的垂直方向，每個陀螺儀都計入地球的自轉、還有許多較小的效應，以 及在一段時間之後可能造成誤差和漂移。此系統中有三具微機電加速度計，成正交排 列，跟陀螺儀安裝在一起。圓球機器人四處移動時，這些感測器會即時回報每個方向的 加速度值，由電腦合併計算總加速度的方向和大小。此加速度的數值是根據時間所得到 的平均值，因此加速度計的讀數無法直接用於控制平衡，但這結果是可靠的長期指標，

可為系統指示重力方向，以校正光纖陀螺儀的漂移。

以馬達控制球朝各種方向移動的方式有好幾種。此研究小組在設計圓球機器人的驅 動構造時，特別力求簡單。在使用軌跡球式滑鼠時，滑鼠底部的軌跡球轉動，帶動兩個 正交的滾軸旋轉，滾軸旋轉的測量值提供資料給電腦，告訴電腦該如何在螢幕上移動滑 鼠游標。而圓球機器人的運作正好相反，機器人的電腦發出命令，指揮一組馬達帶動滾

軸旋轉圓球，讓機器人能在地上朝各方向移動。這種方式可以說是「逆向軌跡球」驅動。

目前此系統是以馬達控制球的俯仰和搖晃兩個方向，還有一個馬達負責控制身體轉向，

讓機器人能面對任何方向。

這個球是空心球體，表面有一層厚厚的聚氨酯橡膠。此驅動方式同時具備摩擦和減 震兩種特性，因為球和滾軸之間會有滑動，因此必須補償回來。此外，球和身體之間有 三個滾珠軸承，負責支撐身體重量。

如圖2-4 所示，要在靜止時維持平衡，圓球機器人必須將其重心維持在支點中的的 正上方，如圖2-4 中的(1)。在動作時，圓球機器人會將重心調整到最佳狀態。譬如說，

在平地上要從一處移走到另一處，驅動球會先朝準備[行進的相反方向轉動少許，如圖中 (2)，讓身體略微前傾，準備移動。接下來球便朝著移動方向旋轉，向前加速，如(3)。

如(4)，圓球機器人等速移動時，身體必須保持接近垂直的角度。而減速時則必須做相反 的動作，如(5)。準備停止的(6)，到完全停止的(7)。

圖2-4 圓球機器人行動示意圖

﹝資料來源：科學人雜誌 NO.57,2006,11﹞