FlipWalker: Jacob's Ladder toy-inspired robot for locomotion across diverse, complex terrain

📄 arXiv: 2508.19380v1 📥 PDF

作者: Diancheng Li, Nia Ralston, Bastiaan Hagen, Phoebe Tan, Matthew A. Robertson

分类: cs.RO

发布日期: 2025-08-26

备注: 2025 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2025)

💡 一句话要点

提出FlipWalker以解决复杂地形下的机器人运动问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 欠驱动机器人 复杂地形 翻转运动 雅各布梯子 机器人运动 物理模型 实验验证

📋 核心要点

  1. 现有的轮式机器人在复杂地形中表现不佳，难以有效克服障碍物和不规则表面。
  2. FlipWalker通过模仿雅各布梯子玩具的运动方式，采用欠驱动设计，利用翻转和旋转来实现灵活的运动。
  3. 实验结果显示，FlipWalker在多种复杂地形上表现出色，最大翻转速度达到每秒0.2个身体长度，展示了其优越的运动能力。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种新型的欠驱动机器人运动系统FlipWalker，该系统受到雅各布梯子玩具的启发，旨在穿越轮式机器人常常面临挑战的复杂地形。FlipWalker由两个通过柔性电缆连接的部分组成，能够围绕奇点进行翻转，模拟玩具的级联运动。每个部分内的电机驱动腿部根据机器人的当前配置，推动地面或对侧部分。本文还建立了一个基于物理的欠驱动翻转动力学模型，以阐明影响前进运动和障碍物清除或攀爬的关键设计参数。实验结果表明，FlipWalker在人工草坪、河卵石和雪地上的翻转策略，依赖于施加在表面法向的地面反作用力，为不规则户外地形的导航提供了有希望的替代方案。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决轮式机器人在复杂地形中运动能力不足的问题，现有方法在面对不规则表面和障碍物时常常失效。

核心思路：FlipWalker的设计灵感来源于雅各布梯子玩具，通过欠驱动的翻转运动来实现灵活的地形适应能力，能够有效应对复杂环境。

技术框架：FlipWalker的整体架构包括两个互联的部分，每个部分配备电机驱动的腿部，能够根据机器人的姿态进行推力输出。翻转运动依赖于施加在地面法向的反作用力。

关键创新：FlipWalker的主要创新在于其欠驱动的翻转机制，这种设计使其能够在复杂地形中灵活移动，区别于传统的轮式或履带式机器人。

关键设计：在设计中，关键参数包括电机的推力输出、腿部的运动范围以及翻转的角度，这些因素共同影响机器人的运动效率和障碍物清除能力。实验中还建立了物理模型以优化这些设计参数。

📊 实验亮点

实验结果表明，FlipWalker在人工草坪、河卵石和雪地上表现优异，最大翻转速度达到每秒0.2个身体长度，展示了其在复杂地形中的有效性，相较于传统轮式机器人具有显著的性能提升。

🎯 应用场景

FlipWalker的设计和实验结果为未来的机器人在复杂地形中的应用提供了新的思路，尤其适用于救援、探险和农业等领域。其灵活的运动方式能够在多种不规则环境中有效导航，具有广泛的实际价值和潜在影响。

📄 摘要（原文）

This paper introduces FlipWalker, a novel underactuated robot locomotion system inspired by Jacob's Ladder illusion toy, designed to traverse challenging terrains where wheeled robots often struggle. Like the Jacob's Ladder toy, FlipWalker features two interconnected segments joined by flexible cables, enabling it to pivot and flip around singularities in a manner reminiscent of the toy's cascading motion. Actuation is provided by motor-driven legs within each segment that push off either the ground or the opposing segment, depending on the robot's current configuration. A physics-based model of the underactuated flipping dynamics is formulated to elucidate the critical design parameters governing forward motion and obstacle clearance or climbing. The untethered prototype weighs 0.78 kg, achieves a maximum flipping speed of 0.2 body lengths per second. Experimental trials on artificial grass, river rocks, and snow demonstrate that FlipWalker's flipping strategy, which relies on ground reaction forces applied normal to the surface, offers a promising alternative to traditional locomotion for navigating irregular outdoor terrain.