MOBIUS: A Multi-Modal Bipedal Robot that can Walk, Crawl, Climb, and Roll

📄 arXiv: 2511.01774v1 📥 PDF

作者: Alexander Schperberg, Yusuke Tanaka, Stefano Di Cairano, Dennis Hong

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-11-03

备注: 23 pages, 20 figures. Collaborative work between the Robotics and Mechanisms Laboratory (RoMeLa) and Mitsubishi Electric Research Laboratories (MERL)

💡 一句话要点

MOBIUS：一种可步行、爬行、攀爬和滚动的多模态双足机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture) 支柱三：空间感知 (Perception & SLAM)

关键词: 多模态机器人 双足机器人 强化学习 模型预测控制 机器人攀爬 步态规划 混合控制

📋 核心要点

  1. 现有双足机器人难以在复杂城市环境中灵活移动，MOBIUS旨在解决这一问题。
  2. MOBIUS通过多模态运动能力和混合控制架构，实现不同地形下的平稳过渡和安全交互。
  3. 硬件实验验证了MOBIUS在步态转换、动态攀爬和负载支撑方面的鲁棒性。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种多模态双足智能城市侦察机器人(MOBIUS)，它能够步行、爬行、攀爬和滚动。MOBIUS具有四个肢体——两个带有双指夹持器的6自由度手臂用于操作和攀爬，以及两个用于移动的4自由度腿——能够在各种地形上平稳过渡，而无需重新配置。一种混合控制架构将基于强化学习的运动与基于模型的预测和容错控制相结合，并通过参考调控器增强安全性，以实现顺应性的接触交互。一个高层MIQCP规划器自主选择运动模式，以平衡稳定性和能源效率。硬件实验证明了强大的步态转换、动态攀爬以及通过捏握进行全身负载支撑。总的来说，MOBIUS展示了形态、高层规划和控制之间紧密集成的重要性，从而实现移动定位操作和抓取，从而大大扩展了其交互能力、工作空间和可穿越性。

🔬 方法详解

问题定义：现有双足机器人通常在特定地形下表现良好，但在复杂多变的环境中，如城市废墟或自然灾害现场，其移动能力受到限制。它们难以在步行、爬行、攀爬等多种运动模式之间平滑切换，且在与环境交互时缺乏足够的柔顺性和安全性。MOBIUS旨在克服这些局限性，实现一种能够在各种地形下灵活、安全移动的多模态机器人。

核心思路：MOBIUS的核心思路是融合多模态运动能力和混合控制架构。通过设计具有多自由度手臂和腿部的机器人结构，使其能够执行步行、爬行、攀爬和滚动等多种运动模式。同时，采用混合控制架构，结合强化学习、模型预测控制和容错控制，以实现对不同运动模式的精确控制和安全交互。

技术框架：MOBIUS的整体架构包含以下几个主要模块：1) 硬件平台：包括具有6自由度手臂和4自由度腿部的机器人结构，以及双指夹持器。2) 高层规划器：使用MIQCP（Mixed-Integer Quadratic Programming）规划器，根据环境信息和任务目标，自主选择合适的运动模式。3) 运动控制器：采用混合控制架构，包括基于强化学习的运动控制、基于模型的预测控制和容错控制。参考调控器用于增强安全性。4) 感知系统：用于获取环境信息，例如地形高度、障碍物位置等。

关键创新：MOBIUS的关键创新在于其多模态运动能力和混合控制架构的紧密集成。传统的机器人通常只专注于单一的运动模式，而MOBIUS能够根据环境自主选择合适的运动模式，并在不同模式之间平滑切换。此外，混合控制架构结合了强化学习的自适应性和模型预测控制的精确性，从而实现了对复杂运动的鲁棒控制。参考调控器进一步提升了安全性。

关键设计：MOBIUS的关键设计包括：1) 机器人结构：手臂和腿部的自由度设计，以及双指夹持器的选择，使其能够执行多种操作和运动。2) MIQCP规划器：用于自主选择运动模式，平衡稳定性和能源效率。3) 混合控制架构：强化学习用于学习运动策略，模型预测控制用于精确控制，容错控制用于处理意外情况。参考调控器用于限制状态空间，保证安全性。

📊 实验亮点

硬件实验表明，MOBIUS能够实现平稳的步态转换，并能够进行动态攀爬。通过捏握，MOBIUS能够支撑自身重量，展示了其强大的负载支撑能力。这些实验结果验证了MOBIUS在复杂环境下的运动能力和鲁棒性。

🎯 应用场景

MOBIUS具有广泛的应用前景，包括城市搜索与救援、工业检测与维护、以及太空探索等。在灾难现场，它可以利用其多模态运动能力，在废墟中穿梭，寻找幸存者。在工业环境中，它可以进行设备检测和维护，提高生产效率。在太空探索中，它可以探索未知地形，收集样本。

📄 摘要（原文）

This article presents a Multi-Modal Bipedal Intelligent Urban Scout robot (MOBIUS) capable of walking, crawling, climbing, and rolling. MOBIUS features four limbs--two 6-DoF arms with two-finger grippers for manipulation and climbing, and two 4-DoF legs for locomotion--enabling smooth transitions across diverse terrains without reconfiguration. A hybrid control architecture combines reinforcement learning-based locomotion with model-based predictive and admittance control enhanced for safety by a Reference Governor toward compliant contact interactions. A high-level MIQCP planner autonomously selects locomotion modes to balance stability and energy efficiency. Hardware experiments demonstrate robust gait transitions, dynamic climbing, and full-body load support via pinch grasp. Overall, MOBIUS demonstrates the importance of tight integration between morphology, high-level planning, and control to enable mobile loco-manipulation and grasping, substantially expanding its interaction capabilities, workspace, and traversability.