Tailless Flapping-Wing Robot With Bio-Inspired Elastic Passive Legs for Multi-Modal Locomotion
作者: Zhi Zheng, Xiangyu Xu, Jin Wang, Yikai Chen, Jingyang Huang, Ruixin Wu, Huan Yu, Guodong Lu
分类: cs.RO
发布日期: 2025-03-02 (更新: 2025-06-18)
备注: 8 pages, 11 figures, accepted by IEEE Robotics and Automation Letters (RAL)
💡 一句话要点
提出一种基于仿生弹性被动腿的无尾扑翼机器人，实现多模态运动
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 扑翼机器人 多模态运动 仿生设计 弹性被动腿 振动驱动
📋 核心要点
- 现有扑翼机器人在实现高效多模态运动方面面临挑战，需要额外的执行器和复杂的控制。
- 该论文提出了一种基于振动驱动的仿生弹性被动腿机构，无需额外执行器即可实现地面运动，简化了机械结构。
- 实验结果表明，该机器人能够在受限驱动下实现飞行、地面运动和模式切换，验证了多模态扑翼设计的潜力。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种新型无尾扑翼机器人，该机器人具有三个独立驱动的翼对。受幼年水黾腿部形态的启发，该机器人集成了仿生弹性被动腿，可将扑翼引起的振动转化为定向地面运动，从而无需额外的执行器即可实现地面运动。这种振动驱动机制有助于实现轻量化、机械简化的多模态移动。基于SE(3)的控制器以最小的驱动协调飞行和模式转换。为了验证该机器人的可行性，开发了一个功能原型，并进行了实验以评估其飞行、地面运动和模式切换能力。结果表明，在受限驱动下性能令人满意，突出了多模态扑翼设计在未来空中-地面机器人应用中的潜力。这些发现为未来基于频率的地面控制和混合运动系统中被动偏航稳定性的研究奠定了基础。
🔬 方法详解
问题定义：现有的扑翼机器人通常需要复杂的控制系统和额外的执行器来实现多模态运动，例如飞行和地面运动。这增加了机器人的重量和复杂性，限制了其在实际应用中的可行性。因此，如何设计一种轻量化、机械简化的扑翼机器人，使其能够在不同模式之间高效切换，是一个亟待解决的问题。
核心思路：本文的核心思路是利用扑翼产生的振动，通过仿生弹性被动腿将其转化为定向的地面运动。这种方法避免了使用额外的执行器，从而降低了机器人的重量和复杂性。同时，通过优化腿部的弹性特性和几何形状，可以实现高效的能量转换和稳定的地面运动。
技术框架：该机器人的整体架构包括三个独立驱动的翼对和一个仿生弹性被动腿机构。翼对用于产生升力和推力，实现飞行运动。被动腿机构则利用扑翼产生的振动，实现地面运动。基于SE(3)的控制器用于协调飞行和模式转换，实现机器人在不同模式之间的平滑切换。
关键创新：该论文的关键创新在于提出了基于振动驱动的仿生弹性被动腿机构，该机构无需额外的执行器即可实现地面运动。此外，该论文还提出了一种基于SE(3)的控制器，用于协调飞行和模式转换，实现机器人在不同模式之间的平滑切换。
关键设计：仿生弹性被动腿的设计灵感来源于幼年水黾的腿部形态。腿部的弹性特性和几何形状经过优化，以实现高效的能量转换和稳定的地面运动。SE(3)控制器则通过最小化驱动力来实现飞行和模式转换的协调控制。具体的参数设置和控制算法细节在论文中进行了详细描述。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，该机器人能够在受限驱动下实现飞行、地面运动和模式切换。具体而言，该机器人能够以一定的速度飞行，并在地面上稳定移动。模式切换过程平滑，能够快速适应不同的环境。这些结果验证了该设计的可行性和潜力。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于环境监测、灾害救援、农业巡检等领域。轻量化、多模态的扑翼机器人能够进入复杂地形和狭小空间，执行侦察、搜救、数据采集等任务。未来，通过进一步优化控制算法和硬件设计，有望实现更高效、更智能的空中-地面机器人系统。
📄 摘要（原文）
Flapping-wing robots offer significant versatility; however, achieving efficient multi-modal locomotion remains challenging. This paper presents the design, modeling, and experimentation of a novel tailless flapping-wing robot with three independently actuated pairs of wings. Inspired by the leg morphology of juvenile water striders, the robot incorporates bio-inspired elastic passive legs that convert flapping-induced vibrations into directional ground movement, enabling locomotion without additional actuators. This vibration-driven mechanism facilitates lightweight, mechanically simplified multi-modal mobility. An SE(3)-based controller coordinates flight and mode transitions with minimal actuation. To validate the robot's feasibility, a functional prototype was developed, and experiments were conducted to evaluate its flight, ground locomotion, and mode-switching capabilities. Results show satisfactory performance under constrained actuation, highlighting the potential of multi-modal flapping-wing designs for future aerial-ground robotic applications. These findings provide a foundation for future studies on frequency-based terrestrial control and passive yaw stabilization in hybrid locomotion systems.