Joint-repositionable Inner-wireless Planar Snake Robot
作者: Ayato Kanada, Ryo Takahashi, Keito Hayashi, Ryusuke Hosaka, Wakako Yukita, Yasutaka Nakashima, Tomoyuki Yokota, Takao Someya, Mitsuhiro Kamezaki, Yoshihiro Kawahara, Motoji Yamamoto
分类: cs.RO, eess.SY
发布日期: 2024-11-21 (更新: 2025-03-06)
期刊: IEEE RA-L (2025)
💡 一句话要点
提出一种关节可重定位的内无线平面蛇形机器人，实现低功耗高灵活性的运动。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 蛇形机器人 关节重定位 无线供电 软体机器人 欠驱动 轻量化设计 低功耗 柔性连杆
📋 核心要点
- 传统多关节蛇形机器人存在电机单元数量多、重量大、功耗高等问题，限制了其应用。
- 该论文提出一种关节可重定位的蛇形机器人，通过在内部齿条上移动电机驱动的关节单元来改变关节配置。
- 结合关节重定位机制和无线充电软皮肤，实现了轻量化（1.3kg）和节能（7.6W）的高弯曲度蛇形机器人。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种关节可重定位的内无线蛇形机器人，它利用低功耗的欠驱动机制实现类似多关节的运动。该蛇形机器人由一系列柔性被动连杆组成，通过沿机器人内部的齿条齿轮重新定位电机驱动的关节单元，可以动态地改变其关节耦合配置。此外，柔软的机器人皮肤以无线方式为内部关节单元供电，避免了因可移动关节单元引起的电线缠绕和断开的风险。关节可重定位机制和支持无线充电的软皮肤相结合，实现了高度弯曲，同时保持了1.3公斤的轻量化结构和7.6瓦的节能无线电力传输。
🔬 方法详解
问题定义：传统多关节蛇形机器人通常需要大量的电机单元来实现复杂的运动，这导致机器人整体重量增加，功耗升高，从而限制了其在狭小空间或需要长时间工作的场景下的应用。现有的蛇形机器人设计难以兼顾轻量化、低功耗和高灵活性。
核心思路：该论文的核心思路是通过减少电机单元的数量，并使其具有可重定位的能力，从而在保证灵活性的前提下降低机器人的重量和功耗。通过动态改变关节的连接方式，可以用较少的电机模拟多关节机器人的运动。
技术框架：该蛇形机器人主要由以下几个部分组成：一系列柔性被动连杆、可重定位的电机驱动关节单元、内部齿条齿轮结构、以及用于无线供电的软性皮肤。电机驱动的关节单元可以在内部齿条上移动，从而改变关节的耦合配置。软性皮肤集成了无线充电模块，为内部的关节单元供电。
关键创新：该论文的关键创新在于将关节可重定位机制与无线供电的软性皮肤相结合。关节可重定位机制允许机器人通过少量电机实现多关节的运动效果，而无线供电则避免了因关节移动导致的电线缠绕问题，提高了机器人的可靠性和灵活性。
关键设计：关节单元的重定位通过电机驱动齿轮在内部齿条上移动来实现，具体的齿轮比和电机选型需要根据机器人的尺寸和负载能力进行优化。无线充电模块的设计需要考虑充电效率和安全性，软性皮肤的材料选择需要兼顾柔性和耐用性。论文中未提及具体的参数设置、损失函数或网络结构，可能因为该机器人主要关注机械结构和控制策略，而非基于学习的方法。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该论文提出的蛇形机器人实现了1.3公斤的轻量化设计，并通过无线电力传输实现了7.6瓦的低功耗运行。实验结果表明，该机器人能够实现高度弯曲的运动，验证了关节可重定位机制和无线供电软皮肤的有效性。虽然论文中没有明确与其他基线方法进行定量比较，但其轻量化和低功耗的特性是传统蛇形机器人难以达到的。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于狭小空间内的搜索救援、管道检测、医疗辅助等领域。轻量化和低功耗的特性使其能够在复杂环境中长时间工作。未来，通过进一步优化控制算法和传感器集成，该蛇形机器人有望在更多领域发挥作用，例如灾后救援、工业检测和医疗诊断等。
📄 摘要（原文）
Bio-inspired multi-joint snake robots offer the advantages of terrain adaptability due to their limbless structure and high flexibility. However, a series of dozens of motor units in typical multiple-joint snake robots results in a heavy body structure and hundreds of watts of high power consumption. This paper presents a joint-repositionable, inner-wireless snake robot that enables multi-joint-like locomotion using a low-powered underactuated mechanism. The snake robot, consisting of a series of flexible passive links, can dynamically change its joint coupling configuration by repositioning motor-driven joint units along rack gears inside the robot. Additionally, a soft robot skin wirelessly powers the internal joint units, avoiding the risk of wire tangling and disconnection caused by the movable joint units. The combination of the joint-repositionable mechanism and the wireless-charging-enabled soft skin achieves a high degree of bending, along with a lightweight structure of 1.3 kg and energy-efficient wireless power transmission of 7.6 watts.