在家庭、辦公室和療養院等場所，智慧移動機器人協助人們進行日常活動，這是一個引人入勝的夢想。儘管這是科幻小說作家和機器人研究人員最喜歡的主題，但這個目標似乎總是遙遙無期。工程師們尚未解決涉及機器人感知和世界建模、自動推理、物體操作和運動等基本問題。
研究人員已經生產出一些機器人，雖然遠未達到理想水平，但它們可以做一些了不起的事情。2002年，一個小組將一個機器人放在了加拿大阿爾伯塔省埃德蒙頓市舉行的美國人工智慧協會年會的入口處。這臺聰明的機器很快找到了註冊臺，報名參加了會議，被分配了一個演講室，前往該地點，並在指定時間就自己做了一個簡短的演講。與此同時，一些機器人有效地充當了互動式博物館導遊，而另一些機器人則顯示出作為療養院助手的潛力。計算機科學家和工程師還為移動系統配備了手臂和手，用於操作物體。所有這些實驗裝置都在由三個或四個輪子支撐的底座上移動。設計師們將這種配置稱為“靜態穩定”，因為它即使在靜止狀態下也能保持機器人直立。
足夠高大以便在人類環境中有效互動的機器人，其重心較高，必須緩慢加速和減速，並避開陡峭的斜坡，以防傾倒。為了解決這個問題，靜態穩定的機器人往往具有寬大的主體和寬大的輪距，這大大限制了它們透過門口以及在傢俱或人群周圍的移動性。
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幾年前，我決定避開對大型輪距的需求，設計並建造一種高挑、纖細且靈活的機器人，它可以在單個球形輪子上保持平衡並由其驅動。這種簡單的機器，憑藉其高重心，將能夠快速地向任何方向移動。該系統將依賴於主動平衡，因此將是“動態穩定”的——也就是說，只有當它對其身體姿態進行持續校正時，它才能保持直立。我意識到這種設計將構成一類迄今為止尚未研究過的輪式移動機器人。由於沒有更好的名字，我稱之為滾球機器人。
我的學生和我已經操作我們的滾球機器人好幾年了，研究其穩定性特性以及在人類環境中執行的適用性。在那段時間裡，許多來我們實驗室參觀的人都覺得它在單個球形輪子上保持平衡和漫遊的能力非常了不起。
保持平衡
我們人類藉助內耳的前庭感覺來保持平衡。這些資訊與來自其他感官（如視覺）的輸入相結合，以控制我們腿和腳的肌肉，使我們能夠站立而不摔倒。滾球機器人以某種類似的方式保持平衡。首先，機器必須有一些要實現的目標，例如保持在一個地方或在兩個位置之間沿直線移動。其次，它必須始終知道重力的方向，並且能夠測量其身體相對於這個垂直參考方向的姿態。第三，它必須有方法在任何方向旋轉球，並測量其在地板上的行程。最後，滾球機器人必須有一種方法或控制策略，來處理它測量的感測器資料，以生成球旋轉命令，從而嘗試實現目標。
縱觀歷史，“垂直問題”的解決一直是一項具有挑戰性的任務[參見第62頁的方框]。我們的解決方案利用了計算、光纖和微機電系統（MEMS）的巨大近期進展，這些進展使得生產低成本裝置成為可能，這些裝置可以模擬傳統旋轉陀螺儀的功能。
我們使用一個系統，該系統具有三個正交安裝（彼此成直角）的光纖陀螺儀，安裝在一個剛性連線到滾球機器人主體的盒子中[參見對面頁面的方框]。這些陀螺儀不包含旋轉質量。每個陀螺儀都具有光源、探測器和光纖線圈。光波線上圈中沿相反方向傳播，並在探測器處相互干涉。在執行過程中，滾球機器人的主體，連同其三個陀螺儀角運動感測器，在各個方向上旋轉，但其中的光波以固定速度傳播，不受任何運動的影響。因此，順時針和逆時針傳播波之間的微小路徑差會導致每個感測器產生差異。在每種情況下，路徑差都會導致探測器處的干涉條紋發生偏移，從而產生與角速度成正比的輸出，法國物理學家喬治·薩尼亞克早在1913年就注意到了這種效應。一臺小型計算機對三個角速度進行積分，以產生滾球機器人主體所取的俯仰角（向前/向後傾斜）、橫滾角（向左/向右傾斜）和偏航角（繞垂直方向旋轉）。
為了報告正確的垂直方向，所有陀螺儀都必須考慮到地球的自轉。它們還受到許多其他小效應的影響，這些效應會導致誤差和隨時間漂移。我們的系統集成了三個MEMS加速度計，與陀螺儀一起正交地設定在同一個盒子中。當滾球機器人在周圍移動時，這些感測器報告每個方向產生的瞬時加速度值，然後計算機將這些值組合起來，得出可以隨時間平均的整體加速度方向和大小。（加速度計的讀數不能直接用於平衡。）最終結果是重力方向的可靠長期指示器，系統使用它來糾正光纖陀螺儀的漂移。
隨球移動
存在幾種使用電機在各個方向上驅動球的方法。我們在滾球機器人的驅動機構設計中力求簡潔。當人們在桌面上移動機械電腦滑鼠時，底部的橡膠塗層球會使一對正交安裝的滾輪轉動。滾輪的測量旋轉為計算機提供輸入，以使游標在螢幕上移動。滾球機器人中發生的情況恰恰相反：來自滾球機器人計算機的輸出命令一組電機轉動滾輪，滾輪旋轉球，從而使機器人沿地板向任何方向移動。它本質上是一個“反向滑鼠球”驅動器。目前，電機驅動球在俯仰和橫滾方向上運動。額外的電機（尚未安裝）將使主體在偏航方向上旋轉，這將使滾球機器人能夠面向任何方向。
就像馬戲團小丑可能會站在球上一樣，滾球機器人的主體站在球輪之上。球是一個空心鋁球，表面覆蓋著厚厚的聚氨酯橡膠層。這種驅動方案表現出摩擦和阻尼行為，因為球和滾輪之間始終發生滑動，必須對此進行補償。球和主體之間的三個滾珠軸承支撐著主體的重量。
為了推斷球的旋轉，從而推斷出行進距離，我們使用了安裝在每個驅動電機上的光學編碼器。每個編碼器都有一個固定的光源，對面是一個光探測器。一個透明的旋轉掩模（帶有許多細密的不透明條紋）連線到電機軸上，位於它們之間。當電機轉動時，掩模旋轉，導致條紋圖案交替阻擋和透射光束。滾球機器人的主計算機對這些事件進行計數，以測量球的旋轉，從而測量行進距離。
球控制
簡而言之，滾球機器人利用其對垂直方向的瞭解來確定如何旋轉其球，以保持平衡和移動。幸運的是，滾球機器人從根本上來說是一個倒立擺，物理學家已經對其進行了廣泛的研究。我們使用最優控制理論的技術來找到一種策略或政策，以驅動滾球機器人達到其目標，同時最大限度地減少為此付出的努力。滾球機器人有八個內部狀態，策略必須考慮到：四個用於其向前/向後運動，四個用於其向左/向右運動。對於這些方向中的每一個，系統都會測量或推斷（從車載感測器）機器人的位置和速度，以及主體的傾斜度和傾斜率。
我們採用簡化的線性數學模型來描述滾球機器人的動力學。匈牙利裔美國數學系統理論家魯道夫·卡爾曼於1960年發明了一種優雅的方法，用於推導此類系統的控制策略，他稱之為線性二次調節器。這種方法認為系統內部狀態的測量值與狀態本身的值成正比。此外，它假設狀態隨時間的變化速率與狀態值的比例加上可能發生的任何控制動作（例如電機扭矩）的比例貢獻成正比。卡爾曼的技術巧妙地最小化了隨時間變化的積分函式，該函式包括狀態的二次度量加上控制動作的二次度量。它的解產生一組最終常數，當這些常數乘以每個內部狀態時，會給出滾球機器人在每個時刻應採取的推薦或最優控制動作。這些計算在滾球機器人的主計算機中每秒執行數百次。
當滾球機器人的目標是靜止不動時，其控制策略會嘗試同時將主體的位置和速度，以及其傾斜度和傾斜率，在每個方向上驅動到零，同時最大限度地減少完成此操作所需的動作。當其目標是從一個地方到另一個地方時，控制策略會自動啟動逆向球旋轉以建立主體傾斜，使其向前加速。當接近目標位置時，球會自動加速以反轉傾斜並使滾球機器人靜止[參見上方的方框]。
向前邁進
我們已經開始試驗滾球機器人，透過無線電鏈路與它互動。我們計劃新增一對手臂，以及一個可以平移和傾斜的頭部，配備雙目視覺系統和許多其他感測器，以努力將該機器開發成具有高度自主能力的機器人。我們的目標是瞭解這種機器人在日常環境中在人群周圍的表現如何，並定量比較其效能、安全性和導航能力與傳統的靜態穩定機器人相比如何。我們的假設是，當涉及到在這些環境中執行時，後者可能最終會成為進化的死衚衕。
並非只有我們才看好動態穩定機器人的概念。其他研究小組已經生產出雙輪機器人，這些機器人在俯仰方向上是動態穩定的，但在橫滾方向上是靜態穩定的。雖然這些機器人不像滾球機器人那樣是全向的，但它們顯示出敏捷移動性的前景——尤其是在戶外。
最終，動態穩定的雙足機器人，也許是人形的，可能會在長期內佔據優勢——特別是它們處理樓梯的能力。世界各地的研究團隊正在積極努力開發這些複雜且通常昂貴的機器。與此同時，滾球機器人似乎將成為研究移動機器人如何在人們居住的地方與人類動態且優雅地互動的有趣且有效的平臺。