A Decapod Robot with Rotary Bellows-Enclosed Soft Transmissions

📄 arXiv: 2503.07321v1 📥 PDF

作者: Yiming He, Yuchen Wang, Yunjia Zhang, Shuguang Li

分类: cs.RO

发布日期: 2025-03-10

备注: 8 pages, 11 figures, accepted by RoboSoft 2025

💡 一句话要点

提出一种基于旋转波纹管软传输的十足软体机器人，实现高效地形适应性运动。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 旋转波纹管 软传输系统 步态控制 地形适应性

📋 核心要点

  1. 软体爬行机器人在复杂地形中表现出高效的运动能力，并对各种环境条件具有鲁棒性，但传统软体机器人驱动方式复杂。
  2. 该论文提出了一种基于旋转波纹管软传输系统（R-BESTS）的十足软体机器人，将伺服旋转直接转化为腿部摆动，简化了驱动方式。
  3. 实验结果表明，该机器人能够实现稳定行走、转弯、负载以及地形适应性，验证了R-BESTS在软体机器人驱动方面的有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种新型的无阀软腿机器人，该机器人集成了旋转波纹管软传输系统（R-BESTS）。R-BESTS可以直接将伺服旋转转换为腿部的摆动。通过正时皮带控制一对R-BESTS，以保持反相位的同步旋转，从而实现行走和转弯的交替三脚架步态。研究了几种设计，以了解加强骨架在扭转R-BESTS输入波纹管单元中的作用。机器人腿部的弯曲序列通过输出波纹管单元的结构设计来控制。最后，展示了软体十足机器人的无线运动。实验结果表明，该机器人可以以每秒1.75厘米（每秒0.07倍体长）的速度行走90分钟，以15厘米（0.6 BL）的半径转弯，携带200克的有效载荷，并适应不同的地形。

🔬 方法详解

问题定义：现有软体机器人通常采用复杂的驱动方式，例如气动或液压，这增加了机器人的复杂性和体积，限制了其在狭小空间或复杂环境中的应用。因此，需要一种更简单、更紧凑的驱动方式来实现软体机器人的高效运动。

核心思路：该论文的核心思路是利用旋转波纹管软传输系统（R-BESTS）将伺服电机的旋转运动直接转化为腿部的摆动。通过巧妙的结构设计，R-BESTS能够实现高效的能量传输和精确的运动控制，从而简化了机器人的驱动系统。

技术框架：该软体机器人包含两个R-BESTS单元，每个单元驱动五条腿。伺服电机的旋转通过正时皮带同步连接两个R-BESTS单元，实现反相位的旋转。R-BESTS单元的输入波纹管接收旋转运动，并通过加强骨架进行扭转，输出波纹管则根据结构设计产生特定的弯曲序列，从而驱动腿部运动。机器人采用交替三脚架步态进行行走和转弯。

关键创新：该论文的关键创新在于R-BESTS的设计，它将旋转运动直接转化为腿部的摆动，避免了传统软体机器人中复杂的中间转换环节。此外，通过结构设计控制腿部的弯曲序列，实现了对机器人运动的精确控制。

关键设计：R-BESTS的加强骨架设计是关键，它决定了输入波纹管的扭转效率。输出波纹管的结构设计决定了腿部的弯曲序列，需要根据期望的步态进行优化。正时皮带的张力需要适当调整，以保证两个R-BESTS单元的同步旋转。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，该软体机器人能够以每秒1.75厘米（0.07 BL）的速度行走90分钟，以15厘米（0.6 BL）的半径转弯，并携带200克的有效载荷。此外，该机器人还表现出良好的地形适应性，能够在不同类型的地面上稳定行走。这些结果验证了R-BESTS在软体机器人驱动方面的有效性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于搜索救援、管道检测、医疗辅助等领域。软体机器人的地形适应性和负载能力使其能够在复杂环境中执行任务。未来，通过进一步优化R-BESTS的设计和控制策略，可以开发出更智能、更灵活的软体机器人，满足不同应用场景的需求。

📄 摘要（原文）

Soft crawling robots exhibit efficient locomotion across various terrains and demonstrate robustness to diverse environmental conditions. Here, we propose a valveless soft-legged robot that integrates a pair of rotary bellows-enclosed soft transmission systems (R-BESTS). The proposed R-BESTS can directly transmit the servo rotation into leg swing motion. A timing belt controls the pair of R-BESTS to maintain synchronous rotation in opposite phases, realizing alternating tripod gaits of walking and turning. We explored several designs to understand the role of a reinforcement skeleton in twisting the R-BESTS' input bellows units. The bending sequences of the robot legs are controlled through structural design for the output bellows units. Finally, we demonstrate untethered locomotion with the soft robotic decapod. Experimental results show that our robot can walk at 1.75 centimeters per second (0.07 body length per second) for 90 min, turn with a 15-centimeter (0.6 BL) radius, carry a payload of 200 g, and adapt to different terrains.