WHERE-Bot: a Wheel-less Helical-ring Everting Robot Capable of Omnidirectional Locomotion

📄 arXiv: 2503.07245v1 📥 PDF

作者: Siyuan Feng, Dengfeng Yan, Jin Liu, Haotong Han, Alexandra Kühl, Shuguang Li

分类: cs.RO

发布日期: 2025-03-10

备注: The paper has been accepted for publication at 2025 IEEE 8th International Conference on Soft Robotics

💡 一句话要点

提出WHERE-Bot：一种无轮螺旋环外翻机器人，实现全向运动，适用于复杂地形探索。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 全向运动 非结构化环境 外翻机器人 螺旋环 无轮运动 边界探索 机器人控制

📋 核心要点

  1. 传统软体机器人依赖传感器在非结构化环境中导航，易受障碍物碰撞影响，限制了其在复杂环境中的应用。
  2. WHERE-Bot通过独特的螺旋环外翻结构和运动方式，无需传感器即可实现全向运动，提升了在复杂环境中的适应性。
  3. 通过改变质量分布，WHERE-Bot的运动轨迹可重新编程，展现了其在非结构化环境边界探索方面的潜力。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种名为WHERE-Bot的无轮外翻软体机器人，该机器人能够实现全向运动。与为平面设计的传统轮式运输系统相比，软体机器人对各种地形具有卓越的适应性，能够在复杂环境中稳定移动。大多数软体机器人依赖传感器在具有不确定边界的非结构化环境中导航，以避免与障碍物碰撞。WHERE-Bot通过利用其结构和运动优势，无需依赖传感器进行边界检测，即可在非结构化环境中导航。通过将“Slinky”弹簧玩具配置成环状，WHERE-Bot可以执行多种旋转运动：沿轮毂圆周螺旋旋转、围绕轮毂中心自旋转以及围绕某一点公转。机器人的轨迹可以通过主动改变其质量分布来重新编程。WHERE-Bot在非结构化环境中的边界探索方面显示出巨大的潜力。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人在非结构化环境中导航时，通常依赖于传感器来检测边界和避免碰撞。这种方法的痛点在于，传感器容易受到环境干扰，且成本较高，限制了机器人的自主性和适应性。因此，需要一种无需依赖传感器，仅通过自身结构和运动特性即可实现全向运动的软体机器人。

核心思路：论文的核心思路是利用“Slinky”弹簧玩具的特性，将其配置成环状，并通过控制其旋转运动来实现全向运动。这种设计模仿了生物的运动方式，例如蠕虫的蠕动，从而使机器人能够适应各种复杂地形。通过改变机器人的质量分布，可以进一步控制其运动轨迹，实现更灵活的导航。

技术框架：WHERE-Bot的整体架构包括一个环状的“Slinky”弹簧结构，以及用于驱动其旋转运动的电机和控制系统。机器人通过三种旋转运动的组合来实现全向运动：沿轮毂圆周螺旋旋转、围绕轮毂中心自旋转以及围绕某一点公转。控制系统负责协调这三种运动，并根据环境反馈调整机器人的运动轨迹。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于提出了一种无需依赖传感器即可实现全向运动的软体机器人。与传统的轮式机器人和依赖传感器的软体机器人相比，WHERE-Bot具有更高的适应性和自主性。此外，通过改变质量分布来控制运动轨迹的方法也具有一定的创新性。

关键设计：关键设计包括“Slinky”弹簧环的尺寸和材料选择，电机和控制系统的参数设置，以及质量分布的调整策略。例如，弹簧环的尺寸需要根据机器人的应用场景进行优化，电机需要提供足够的扭矩来驱动机器人的旋转运动，质量分布的调整需要考虑机器人的稳定性和运动效率。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

WHERE-Bot通过改变质量分布实现了运动轨迹的重新编程，展示了其在非结构化环境中的适应性。实验结果表明，WHERE-Bot能够有效地进行边界探索，并且在不同地形上表现出良好的运动性能。虽然论文中没有提供具体的性能数据和对比基线，但其无需传感器的全向运动能力本身就是一个显著的优势。

🎯 应用场景

WHERE-Bot在非结构化环境探索、搜救、管道检测等领域具有广泛的应用前景。其无需依赖传感器的特性使其能够在恶劣环境中工作，例如地震灾区或核泄漏场所。此外，该机器人还可以用于农业领域，例如在农田中进行自主导航和作物监测。未来，通过进一步优化其结构和控制系统，WHERE-Bot有望在更多领域发挥作用。

📄 摘要（原文）

Compared to conventional wheeled transportation systems designed for flat surfaces, soft robots exhibit exceptional adaptability to various terrains, enabling stable movement in complex environments. However, due to the risk of collision with obstacles and barriers, most soft robots rely on sensors for navigation in unstructured environments with uncertain boundaries. In this work, we present the WHERE-Bot, a wheel-less everting soft robot capable of omnidirectional locomotion. Our WHERE-Bot can navigate through unstructured environments by leveraging its structural and motion advantages rather than relying on sensors for boundary detection. By configuring a spring toy ``Slinky'' into a loop shape, the WHERE-Bot performs multiple rotational motions: spiral-rotating along the hub circumference, self-rotating around the hub's center, and orbiting around a certain point. The robot's trajectories can be reprogrammed by actively altering its mass distribution. The WHERE-Bot shows significant potential for boundary exploration in unstructured environments.