PerchMobi^3: A Multi-Modal Robot with Power-Reuse Quad-Fan Mechanism for Air-Ground-Wall Locomotion
作者: Yikai Chen, Zhi Zheng, Jin Wang, Bingye He, Xiangyu Xu, Jialu Zhang, Huan Yu, Guodong Lu
分类: cs.RO
发布日期: 2025-09-16
备注: 7 pages, 8 figures. This work has been submitted to the IEEE for possible publication
💡 一句话要点
PerchMobi^3：一种用于空-地-墙运动的动力复用四风扇多模态机器人
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 多模态机器人 动力复用 四风扇 空地墙运动 负压吸附
📋 核心要点
- 现有机器人难以同时实现空中飞行、地面驱动和墙壁攀爬，且通常依赖额外的吸附执行器，导致复杂性增加和效率降低。
- PerchMobi^3通过复用四个涵道风扇，同时提供空中推力和负压吸附，并结合主动驱动轮，实现了推进-吸附动力复用，无需额外泵。
- 实验验证了PerchMobi^3在地面驱动、墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换中的可行性，展示了其在不同运动场景下的强大适应性。
📝 摘要（中文）
本文提出PerchMobi^3，一种四风扇负压空-地-墙机器人，它实现了推进-吸附动力复用机制，旨在解决现有机器人平台难以无缝集成空中飞行、地面驱动和墙壁攀爬的问题。通过将四个涵道风扇同时用于提供空中推力和负压吸附，并将其与四个主动驱动轮集成，PerchMobi^3无需专用泵，同时保持轻量化和紧凑的设计。据我们所知，这是第一个展示用于多模态运动的功能性动力复用的四风扇原型。建模和控制框架实现了地面、墙壁和空中领域之间的协调操作以及风扇辅助的转换。通过涵盖地面驱动、有效载荷辅助的墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换的一系列综合实验验证了设计的可行性，证明了在各种运动场景中的强大适应性。这些结果突出了PerchMobi^3作为多模态机器人移动性的新型设计范例的潜力，为未来扩展到自主和面向应用的部署铺平了道路。
🔬 方法详解
问题定义：现有能够进行空中、地面和墙壁运动的多模态机器人通常需要额外的吸附机构，例如真空泵或磁铁，这增加了机器人的重量、复杂性和能量消耗。这些额外的机构也可能降低机器人的可靠性，并限制其在复杂环境中的应用。因此，需要一种更高效、更紧凑的多模态运动解决方案。
核心思路：PerchMobi^3的核心思路是利用四个涵道风扇，通过动力复用机制，同时提供空中推力和负压吸附力。这意味着同一个风扇既可以用于产生升力，也可以用于产生吸附力，从而避免了使用额外的吸附机构。此外，结合四个主动驱动轮，实现了在地面、墙壁和空中之间的无缝转换。
技术框架：PerchMobi^3的整体架构包括四个涵道风扇、四个主动驱动轮、机身结构、控制系统和电源系统。控制系统负责协调风扇的转速和轮子的运动，以实现不同的运动模式和模式之间的转换。建模和控制框架实现了地面、墙壁和空中领域之间的协调操作以及风扇辅助的转换。
关键创新：PerchMobi^3最重要的技术创新点在于其推进-吸附动力复用机制。通过巧妙地设计涵道风扇和控制策略，实现了用同一套动力系统同时提供空中推力和负压吸附力，从而显著降低了机器人的重量和复杂性。这是第一个展示用于多模态运动的功能性动力复用的四风扇原型。
关键设计：涵道风扇的设计是关键。需要优化涵道的形状和尺寸，以最大化推力和吸附力。控制策略也至关重要，需要根据不同的运动模式和环境条件，精确地控制风扇的转速和轮子的运动。此外，有效载荷辅助的墙壁攀爬也需要精确的控制，以保证机器人的稳定性和安全性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，PerchMobi^3能够成功实现地面驱动、有效载荷辅助的墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换。例如，机器人能够携带一定重量的有效载荷攀爬垂直墙壁，并在空中稳定飞行。这些实验验证了PerchMobi^3设计的可行性和鲁棒性，证明了其在各种运动场景中的强大适应性。
🎯 应用场景
PerchMobi^3具有广泛的应用前景，例如：建筑物检测、桥梁检测、灾后救援、工业检测等。它可以在复杂和难以到达的环境中执行任务，例如：高层建筑的外墙、桥梁的底部、灾区废墟等。该研究为多模态机器人移动性提供了一种新的设计范例，有望推动自主机器人在更多领域的应用。
📄 摘要（原文）
Achieving seamless integration of aerial flight, ground driving, and wall climbing within a single robotic platform remains a major challenge, as existing designs often rely on additional adhesion actuators that increase complexity, reduce efficiency, and compromise reliability. To address these limitations, we present PerchMobi^3, a quad-fan, negative-pressure, air-ground-wall robot that implements a propulsion-adhesion power-reuse mechanism. By repurposing four ducted fans to simultaneously provide aerial thrust and negative-pressure adhesion, and integrating them with four actively driven wheels, PerchMobi^3 eliminates dedicated pumps while maintaining a lightweight and compact design. To the best of our knowledge, this is the first quad-fan prototype to demonstrate functional power reuse for multi-modal locomotion. A modeling and control framework enables coordinated operation across ground, wall, and aerial domains with fan-assisted transitions. The feasibility of the design is validated through a comprehensive set of experiments covering ground driving, payload-assisted wall climbing, aerial flight, and cross-mode transitions, demonstrating robust adaptability across locomotion scenarios. These results highlight the potential of PerchMobi^3 as a novel design paradigm for multi-modal robotic mobility, paving the way for future extensions toward autonomous and application-oriented deployment.