未来星球探测，可能会有一颗球成为主角。它能穿越沙丘、翻越环形山，甚至飞越峡谷洞穴。

“嫦娥六号”月背采样震撼世界，“天问一号”火星探测稳步推进，随着人类深空探索步伐加速，星球表面探测任务正变得日益复杂。传统轮式或轮腿式探测器就像规规矩矩的越野车，在平地表现稳健，一旦遇到星表遍布的沙丘、环形山和撞击坑，就容易卡壳。

这时候，一颗能滚、能跳、能思考的球形机器人，或许就是答案。它在平地可快速滚动、遇障可灵活弹跳，既能赶路，又能应对极端地形。得益于浑然一体的外壳和巧妙的内驱设计，它还不易翻车、能耗更低，堪称“自带上坡劲、满电即远征”的多面手。

最近，哈工大机器人技术与系统全国重点实验室研究团队在核心期刊《机器人》上发表综述，系统梳理了这类球形机器人的身体构造、运动秘诀以及关键技术。或许不用太久，这样一颗“全能探险家”就将登陆外星，带我们去看那些轮子到不了的风景。

一、不止是“一颗球”：球形机器人的百变形态

你以为球形机器人就只是个圆壳子？那可就小看它了。

自1996年芬兰赫尔辛基工业大学首个球形机器人问世以来，它的体型早已进化出多种形态，就像星际探险家会为不同任务换上不同装备。

球形机器人的主要构形
 

目前最常见的仍是经典正球形壳，它就像一个不倒翁，碰撞后能自行复位，在斜坡上也不易翻车。更妙的是，它与地面是点接触，滚动阻力比轮子小得多，堪称长途奔袭的节能高手。密闭的球壳还能在沙尘、辐射等恶劣环境中，为娇贵的内部仪器提供完美保护。

不过，任务千变万化，球也不能总一个样。于是，科学家们设计出了椭球形壳机器人。这种构型能更契合内部元件，塞进更多传感器和驱动装置。运动起来也很有意思，它在垂直长轴方向上滚动更灵活、加速更快，而在垂直短轴方向则更稳定，甚至能安心地在斜坡上横向移动。

当单一滚动模式不够用时，变形球壳便闪亮登场。这类机器人能“变形”，比如伸出腿脚切换成步行模式，或者展开半球壳体。有的还能改变自身直径，通过调整外壳刚度，像拥有智能悬挂一样缓冲冲击。这保留了滚动高效的优势，又显著增强了复杂地形的通过性。

各类变形机器人特性
 

还有一种脑洞大开的张拉结构球形机器人。它就像用绳索和杆件编织成的钢丝球，既柔韧又结实，还特别轻。2013年NASA提出的一体化着陆和移动平台Super Ball Bot（SBB）就用了这种结构，它能在着陆时能像弹力球一样吸收冲击，摊开后就能滚动前进，特别适合需要“打包发射、到站展开”的深空任务。

从标准圆球到可变形战士，球形机器人的身体早已为适应各种外星严酷环境，做好了准备。

二、驱动方式：球形机器人如何动起来？

有了百变的外形，下一个关键问题是：如何让这颗球听话地动起来？

几十年来，科学家们想出了各种妙招，从最初的简单滚动驱动，进化为如今结合重力摆、跳跃驱动以及水陆两栖能力混合驱动。

球形机器人驱动方式发展过程
 

(a) 独轮车驱动；(b) “仓鼠球”驱动；(c) 机械跳跃驱动；(d) 飞轮驱动；(e) 单摆驱动；(f) 质量块驱动；(g) 风力驱动；(h) 双摆驱动；(i) 四旋翼驱动；(j) 球壳气囊驱动；(k) 同轴旋翼驱动；(l) 飞轮跳跃驱动；(m) 球壳摆动驱动；(n) 化学跳跃驱动；(o) 正交旋翼驱动；(p) 多无人机驱动；(q) 混合驱动；(r) 水陆两栖驱动

1.滚动：最本能的移动艺术

滚动是球形机器人基于自身几何特性的天赋技能，但如何让球听话地滚向目标，科学家们想出了四类主流方案。

• 风驱：最省力的方式。给球装上“风帆”或像蒲公英一样的放射结构，就能在火星等多风星球上随风远征。它能源免费、续航无敌，但早期的“风滚草”只能听天由命。为此，科学家给它加上了“刹车”和“方向盘”——通过充放气囊主动驻停，或内置可移动重块来调整重心、辅助转向，甚至能利用滚动发电，实现能量自循环。

被动“风滚草”
 

具有主动驱动的“风滚草”
 

• 摩擦驱动：原理很直观，就像在球壳内放置一个带轮的小车，靠摩擦力带动球体。从独轮车、两轮到全向轮组合，设计多样。但它在崎岖地形容易打滑空转。为此，工程师们加入了配有正时皮带的金属环等巧思，让“仓鼠车”跑得更稳。

独轮车驱动球形机器人
 

“仓鼠球”球形机器人
 

稳定的摩擦驱动球形机器人
 

• 重力驱动：目前的主流方案之一。核心是在球内球体内部轴连接一个重力摆，通过控制其位置来改变球体重心，球体为找回平衡便会自然滚动。从单摆、双摆到四摆，摆锤越多，操控越灵活，甚至能实现精准的全向移动。这种方式控制直观，是许多球形机器人的“经典心脏”。

单摆驱动球形机器人
 

双摆驱动球形机器人
 

其他重力驱动球形机器人
 

• 角动量驱动：最灵活的一类。其原理是利用角动量的变化实现灵活的滚动和转向，通过让内部飞轮高速旋转，再利用突然制动或改变转轴产生的反作用力来“撬动”球壳。从基础的单飞轮结构，到在球壳内对称布置多个电机实现全向驱动，再到采用响应更快的控制力矩陀螺仪（CMG），系统的灵活性与操控精度不断提升。

角动量驱动球形机器人
 

2.跳跃：低重力星球的“轻功”

在月球、火星等低重力环境，跳跃比滚动有时更高效。实现跳跃的方式充满巧思：

• 机械驱动：像给球装上“弹簧腿”，通过电机压缩弹簧或驱动连杆机构储存能量，瞬间释放即可弹跳而起。

机械式跳跃球形机器人
 

• 飞轮驱动：通过控制飞轮的制动方式，调整机器人的跳跃角度。2012年JPL、斯坦福大学和麻省理工学院共同研制的跳跃机器人“Hedgehog”就是基于这个原理，其可以大步跳跃、小步翻滚、快速旋转、从地面发射跳起，从而逃离沙坑或其他可能被困住的情况。

“Hedgehog”的各个版本
 

• 化学驱动：甚至还有采用微型化学推进器的，如同在球内安装了可控小火箭，实现爆发式跳跃或短途飞行。例如用于探索月球和火星洞穴及熔岩管的跳跃机器人Pit-Bot配备升力发动机和8个“温气”姿态控制推进器，实现在不同的环境中飞行跳跃并保持稳定。

Pit-Bot
 

3.飞行：球壳里的无人机
将无人机（同轴旋翼无人机/多旋翼无人机）封装进球形保护罩内，诞生了能飞能滚的复合体。飞行模式用于跨越障碍、大范围侦察；滚动模式用于地面精细作业、节省能源。球壳提供了绝佳的碰撞保护，让无人机敢于在复杂狭窄空间内穿行。

同轴旋翼驱动
 

多旋翼驱动
 

突破“一个球壳配一架无人机”的传统框架，多智能体球形无人机Shapeshifter则完全颠覆了以上设计，由多个独立的含可控磁铁的小型机器人Cobot组成，让其自我组装并进行形态变化，在飞行、滚动、游泳等多种模式间任意切换，以适应不同的任务需求和环境条件。

Shapeshifter
 

4.混合驱动：全能战士的诞生

真正的“全能探险家”绝不偏科。于是，融合滚、跳、爬，甚至游泳能力的混合驱动球形机器人成为前沿方向。比如“重力摆+跳跃机构”让球能滚则滚、遇障则跳；“滚轮+四旋翼”则实现了地面机动与空中视角的完美结合。虽然结构更复杂，但面对完全未知的外星地形，这种多模式适应能力无疑提供了更高的任务成功率。

混合驱动球形机器人
 

在球形机器人的设计中，每一项能力的提升往往伴随着新的代价。为了更直观地展现这些取舍与特点，各类驱动方式的详细对比如下表所示：

三、控制与导航：从笨球变成智能球

能动起来还远远不够，还要变得足够智能，球形机器人才能真正独立应对深空探索的挑战。

1.运动控制：驯服这颗“不安分的球”

球形机器人本质上是一个欠驱动、非线性的复杂系统，控制它就像驾驭一颗活泼又倔强的弹珠。传统PID控制是基本功，确保稳定滚动。但在未知崎岖地形中，抗干扰能力极强的滑模控制更受青睐，它能像经验丰富的骑手，任凭外界扰动也能牢牢稳住方向。如今，融合了滑模控制（SMC）、自适应神经模糊控制（ANFC）、神经网络甚至强化学习的智能控制方法正成为趋势，让球形机器人能像学徒一样，从环境中学习，自主优化行动策略，变得越来越聪明。

2.传感系统：充当眼睛和小脑

自主导航离不开环境感知。IMU（惯性测量单元）是它的“内耳”，时刻感知自身姿态和加速度；编码器则像“步数计数器”，精确测量轮子或关节的转动。二者结合，机器人就能清楚地知道自己动了多远、转了多少。

要理解外部世界，则需要摄像头、激光雷达（LiDAR） 等作为眼睛。通过SLAM（同步定位与地图构建） 技术，球形机器人可以一边探索未知环境，一边实时绘制地图并确定自己在图中的位置，真正实现不迷路的自主探险。

四、未来已来：球形机器人的星际征途

那么，这样一位“全能探险家”，在未来的星球探测中具体能做什么呢？它的舞台远超想象。

可以是复杂地形穿越者、采样侦查多面手、洞穴峡谷探险家，也可以分工合作，覆盖更大区域；互为通信，在复杂地形中构建可靠网络；甚至可以通过数据共享，共同构建高精度环境地图。

当然，要将这样的机器人完美投入应用，还需克服一些挑战。

他们需要有更高的自主性，即赋予机器人更强的自主决策和任务规划能力，让它能独立应对突发情况；更强的环境适应性，需要发展更高效可靠的混合驱动机构与智能变形结构，实现一机多态，真正适应从细沙到硬岩、从平原到悬崖的极端环境；更巧的功能集成，需要通过精巧的结构设计和模块化理念，在有限空间内集成更多科学仪器和功能模块。

尽管前路仍有挑战，但球形机器人所展现出的独特优势和巨大潜力令人振奋。随着人工智能、新型材料和精密驱动技术的持续突破，或许在不久的将来，我们就能看到成群的智能球形机器人，在另一颗星球上自由滚跳。

论文链接：

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