A bio-inspired sand-rolling robot: effect of body shape on sand rolling performance
作者: Xingjue Liao, Wenhao Liu, Hao Wu, Feifei Qian
分类: cs.RO
发布日期: 2025-03-18
期刊: Proceedings of the IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), 2025
DOI: 10.1109/ICRA55743.2025.11128406
💡 一句话要点
提出一种仿生沙地滚动机器人，研究其体型对滚动性能的影响，并优化设计。
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 沙地机器人 滚动运动 仿生学 体型优化 可变形地形
📋 核心要点
- 现有机器人难以在沙地等复杂地形有效移动，限制了其在户外环境中的应用，如环境监测和搜救。
- 受利尔山螈滚动行为启发，设计不同体型的沙地滚动机器人，研究体型与滚动性能的关系，寻找最优设计。
- 实验发现六边形和三角形滚动速度更快但易卡住，通过分析失效机制并改进设计，机器人速度提升超过200%。
📝 摘要（中文）
为了使机器人能够在沙地和砾石等复杂地形上有效移动，从而在环境监测、搜救和物资运送等关键任务中发挥作用，本研究受到利尔山螈将身体卷成环状并在斜坡上有效滚动的能力的启发，开发了一种沙地滚动机器人，并研究了其运动性能如何受到身体形状的影响。我们实验测试了三种不同的身体形状：六边形、四边形和三角形。结果表明，六边形和三角形可以在沙地上实现更快的滚动速度，但更容易发生卡住的现象。对机器人与沙子之间相互作用的分析揭示了失效机制：沙子的变形在机器人接触段下方产生了一个局部的“沙坡”，增加了有效支撑多边形（ERSP），并阻止机器人将其质心（CoM）移出ERSP，从而无法产生可持续的滚动。基于这种机制，一个高度简化的模型成功地捕捉了每种滚动形状在沙地上产生持续滚动的临界俯仰角，并为设计改进提供了信息，从而减轻了运动失效并提高了机器人速度超过200%。我们的结果为运动体如何利用不同的形态特征来实现跨可变形基底的鲁棒滚动运动提供了见解。
🔬 方法详解
问题定义：论文旨在解决机器人如何在沙地等可变形地形上实现高效、稳定的滚动运动的问题。现有轮式或履带式机器人在这种地形下容易陷入、打滑，效率低下。因此，需要探索新的运动方式和机器人形态，以适应这种复杂环境。
核心思路：论文的核心思路是仿生学，即从自然界生物的运动方式中获取灵感。具体而言，受到利尔山螈滚动行为的启发，设计了一种通过改变自身形状进行滚动的机器人。通过实验分析不同体型（六边形、四边形、三角形）的滚动性能，并深入研究机器人与沙地之间的相互作用，揭示影响滚动性能的关键因素。
技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1) 机器人设计与制造：设计并制造具有不同体型的滚动机器人原型。2) 实验测试：在沙地上进行滚动实验，测量机器人的滚动速度、卡住频率等性能指标。3) 相互作用分析：通过力学分析和实验观察，研究机器人与沙地之间的相互作用，特别是沙地的变形对滚动性能的影响。4) 模型建立：建立简化的力学模型，用于预测不同体型的滚动机器人在沙地上的滚动性能。5) 设计优化：基于模型预测和实验结果，对机器人设计进行优化，提高滚动性能。
关键创新：该论文的关键创新在于：1) 提出了基于体型变化的滚动运动方式，为沙地机器人提供了一种新的解决方案。2) 揭示了沙地变形对滚动性能的影响机制，即沙地变形会增加有效支撑多边形（ERSP），阻碍机器人质心（CoM）的移动，导致卡住。3) 建立了一个简化的力学模型，能够预测不同体型的滚动机器人在沙地上的滚动性能，为机器人设计提供了理论指导。
关键设计：论文的关键设计包括：1) 三种不同的体型（六边形、四边形、三角形）的设计，用于研究体型对滚动性能的影响。2) 实验中对滚动速度、卡住频率等性能指标的测量和分析。3) 力学模型中对沙地变形的简化建模，以及对有效支撑多边形（ERSP）和质心（CoM）位置的计算。4) 基于模型预测和实验结果，对机器人体型进行优化，例如调整接触面的角度，以减少沙地变形的影响。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，六边形和三角形机器人滚动速度更快，但更容易卡住。通过分析发现，沙地变形导致有效支撑多边形增大是卡住的主要原因。基于此，对机器人设计进行优化后，滚动速度提升超过200%，显著提高了机器人在沙地上的运动性能。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于环境监测、搜救、物资运输等领域。例如，在沙漠、沼泽等复杂地形中，该机器人可以用于环境数据的采集和监测；在地震、泥石流等灾害发生后，可以用于搜寻幸存者和运送救援物资。此外，该研究也为其他可变形地形机器人的设计提供了参考。
📄 摘要（原文）
The capability of effectively moving on complex terrains such as sand and gravel can empower our robots to robustly operate in outdoor environments, and assist with critical tasks such as environment monitoring, search-and-rescue, and supply delivery. Inspired by the Mount Lyell salamander's ability to curl its body into a loop and effectively roll down {\Revision hill slopes}, in this study we develop a sand-rolling robot and investigate how its locomotion performance is governed by the shape of its body. We experimentally tested three different body shapes: Hexagon, Quadrilateral, and Triangle. We found that Hexagon and Triangle can achieve a faster rolling speed on sand, but exhibited more frequent failures of getting stuck. Analysis of the interaction between robot and sand revealed the failure mechanism: the deformation of the sand produced a local ``sand incline'' underneath robot contact segments, increasing the effective region of supporting polygon (ERSP) and preventing the robot from shifting its center of mass (CoM) outside the ERSP to produce sustainable rolling. Based on this mechanism, a highly-simplified model successfully captured the critical body pitch for each rolling shape to produce sustained rolling on sand, and informed design adaptations that mitigated the locomotion failures and improved robot speed by more than 200$\%$. Our results provide insights into how locomotors can utilize different morphological features to achieve robust rolling motion across deformable substrates.