Development of Implicit-Explicit Control Based Amphibious Centipede-Type Robot and Evaluation of its Mobile Performance

📄 arXiv: 2510.25280v1 📥 PDF

作者: Yusuke Tsunoda, Seiya Yamamoto, Kazuki Ito, Runze Xiao, Keisuke Naniwa, Koichi Osuka

分类: cs.RO

发布日期: 2025-10-29

💡 一句话要点

提出基于隐式-显式控制的蜈蚣型两栖机器人，并评估其移动性能

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 两栖机器人 多足机器人 隐式-显式控制 步态控制 机器人结构设计

📋 核心要点

  1. 传统两栖机器人依赖于针对不同环境切换控制器的策略，但为复杂环境设计步态和准确切换控制器是挑战。
  2. 该研究提出一种基于隐式-显式控制的蜈蚣型机器人，通过统一的控制方案和巧妙的结构设计实现两栖环境导航。
  3. 实验评估了不同腿部结构在陆地和水中的运动性能，验证了存在适用于两栖环境的腿部结构。

📝 摘要（中文）

多足移动机器人在复杂地形环境中具有很高的移动性能，这源于它们的高姿态稳定性、关节灵活性以及多条腿提供的冗余性。先前关于在陆地和水域等不同环境之间导航的研究主要采用的策略是在进入新环境时切换到为该环境生成适当步态的控制器。然而，为每个复杂多样的环境设计合适的步态，并准确确定每个环境的控制器切换是具有挑战性的。因此，本研究开发了一种蜈蚣型移动机器人，该机器人基于隐式-显式控制理念，并通过巧妙地设计机器人本体结构，从而在水生和陆地环境中以简单、统一的控制方案进行导航。本研究开发的机器人具有柔性关节和每个身体节段上的左右腿，并侧重于与环境有广泛接触的腿部结构。本文使用机器人腿部的滑移率和执行器能耗作为评估指标，评估了三种开发的腿部结构在陆地和水中的运动性能。实验结果证实了存在一种合适的腿部结构，能够在相同的控制下导航水生和陆地环境。

🔬 方法详解

问题定义：现有两栖机器人在不同环境间切换时，需要针对每个环境设计特定的运动步态，并准确判断环境类型以切换控制器。这在复杂多变的环境中极具挑战性，增加了控制系统的复杂度和开发难度。因此，需要一种能够适应不同环境，无需频繁切换控制策略的两栖机器人。

核心思路：本研究的核心思路是利用隐式-显式控制的理念，设计一种具有自适应性的机器人结构。通过巧妙的腿部结构设计和统一的控制策略，使机器人能够根据环境的物理特性自动调整运动方式，从而在陆地和水域之间平稳过渡，无需显式地切换控制器。

技术框架：该研究的技术框架主要包括以下几个部分：1）蜈蚣型机器人本体设计，包括柔性关节和分段式腿部结构；2）腿部结构优化，设计了三种不同的腿部结构，以探索最佳的两栖运动性能；3）隐式-显式控制策略，采用统一的控制方案，无需针对不同环境进行切换；4）实验评估，通过测量腿部滑移率和执行器能耗来评估机器人在陆地和水中的运动性能。

关键创新：该研究的关键创新在于将隐式-显式控制理念应用于两栖机器人的设计中。传统的两栖机器人依赖于显式的环境识别和控制器切换，而该研究通过巧妙的结构设计，使机器人能够根据环境的物理特性自动调整运动方式，从而简化了控制系统的设计，提高了机器人的适应性。

关键设计：关键设计在于腿部结构的优化。研究人员设计了三种不同的腿部结构，并通过实验评估其在陆地和水中的运动性能。评估指标包括腿部滑移率和执行器能耗。通过对比实验结果，确定了最适合两栖环境的腿部结构。此外，柔性关节的设计也允许机器人更好地适应复杂地形。

📊 实验亮点

实验结果表明，通过优化腿部结构，蜈蚣型机器人能够在相同的控制策略下，同时适应陆地和水域环境。通过对比三种不同的腿部结构，研究人员确定了一种能够在两种环境中实现较低滑移率和较低能耗的腿部设计。该研究验证了隐式-显式控制理念在两栖机器人设计中的可行性，为未来两栖机器人的发展提供了新的思路。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于水陆两栖环境下的侦察、搜救、环境监测等任务。例如，在洪涝灾害中，该机器人可以用于水下和陆地的搜救工作；在海洋环境中，可以用于水下管道检测和海洋生物观测。未来，通过进一步优化机器人的控制算法和结构设计，可以使其在更复杂的环境中执行任务。

📄 摘要（原文）

Multi-legged mobile robots possess high mobility performance in rough terrain environments, stemming from their high postural stability, joint flexibility, and the redundancy provided by multiple legs. In prior research on navigating between different environments such as land and water, the primary strategy employed involves switching to a controller that generates an appropriate gait for the new environment upon entering it. However, designing appropriate gaits for each complex and diverse environment and accurately determining controller switching for each environment is challenging. Therefore, this research develops a centipede-type mobile robot that navigates both aquatic and terrestrial environments with a simple, unified control scheme, based on the implicit-explicit control philosophy and by ingeniously designing the robot's body structure. In this research, we developed the robot featuring flexible joints and left and right legs on each body segment and focused on the leg structure which has extensive contact with the environment. This paper evaluates the locomotion performance on land and water using the three developed leg structures, using the robot's leg slip rate and actuator energy consumption as evaluation metrics. The experimental results confirmed the existence of an appropriate leg structure capable of navigating both aquatic and terrestrial environments under identical control.