Dynamically Extensible and Retractable Robotic Leg Linkages for Multi-task Execution in Search and Rescue Scenarios

📄 arXiv: 2511.10816v2 📥 PDF

作者: William Harris, Lucas Yager, Syler Sylvester, Elizabeth Peiros, Micheal C. Yip

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-13 (更新: 2025-11-17)

💡 一句话要点

提出一种动态伸缩腿式连杆机构，用于搜索救援机器人执行多任务

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 腿式机器人 搜索救援 动态伸缩 五杆连杆机构 地形适应性

📋 核心要点

  1. 现有的搜索救援机器人难以兼顾地形适应性和高强度救援任务的需求，腿式机器人虽然擅长地形穿越，但缺乏高强度输出能力。
  2. 该论文提出了一种动态伸缩的五杆连杆腿式机构，通过几何变换实现高度优势和力量优势的切换，从而兼顾地形适应性和高强度输出。
  3. 实验结果表明，该变形腿机构在步长、力输出和稳定性方面表现良好，为搜索救援机器人提供了一种有潜力的解决方案。

📝 摘要（中文）

搜索和救援(SAR)机器人需要快速穿越地形并执行高强度救援任务，这既需要地形适应性，也需要可控的高强度输出。目前很少有平台能够同时满足SAR的需求，更少有平台能够在执行救援任务时兼顾地形适应性和高强度输出。虽然腿式机器人具有显著的穿越不平坦地形的能力，但与传统的轮式驱动系统不同，它们通常无法结合提供可变高强度输出的机制。本文介绍了一种新型的动态伸缩机器人腿的概念。利用动态伸缩的五杆连杆机构设计，它允许通过几何变换在高度优势和力量优势配置之间进行机械切换。测试平台评估了腿在不同连杆几何形状和操作模式下的性能，并对步长、力输出和稳定性进行了实证和分析。结果表明，这种变形腿为SAR机器人提供了一条有希望的道路，使其既能快速导航地形，又能有效地执行救援任务。

🔬 方法详解

问题定义：搜索救援机器人需要在复杂地形中快速移动，同时还要能够执行高强度的救援任务，例如搬运重物或破拆障碍。现有的腿式机器人虽然具备较强的地形适应性，但在力量输出方面不如轮式机器人。因此，如何设计一种既能适应复杂地形，又能提供足够力量的机器人平台是一个挑战。

核心思路：该论文的核心思路是设计一种动态可变的腿部结构，使其能够在不同的几何构型之间切换，从而适应不同的任务需求。具体来说，通过改变腿部连杆的几何形状，可以在高度优势（便于快速移动）和力量优势（便于高强度输出）之间进行切换。

技术框架：该机器人腿部采用五杆连杆机构，通过控制连杆的运动，实现腿部的伸缩和几何形状的改变。整体框架包括：1) 连杆机构设计；2) 运动控制策略；3) 力输出分析；4) 稳定性分析。通过调整连杆的长度和角度，可以改变腿部的运动范围和力输出特性。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了动态伸缩的腿部连杆机构，通过几何变换实现高度优势和力量优势的切换。这种设计使得机器人能够在不同的任务场景下优化自身的性能，从而提高整体的效率和适应性。与传统的固定几何形状的腿部结构相比，该设计具有更高的灵活性和多功能性。

关键设计：五杆连杆机构的连杆长度是关键参数，决定了腿部的运动范围和力输出能力。运动控制策略需要根据不同的任务需求进行调整，例如，在快速移动时，需要优化步长和步频；在高强度输出时，需要优化连杆的受力分布。稳定性分析需要考虑机器人的重心位置和支撑多边形，确保机器人在各种姿态下都能保持稳定。

📊 实验亮点

该论文通过实验验证了动态伸缩腿部机构的性能。实验结果表明，该机构能够在不同的几何构型下实现不同的步长和力输出。通过调整连杆的几何形状，可以显著提高腿部的力量输出能力，使其能够执行高强度的救援任务。此外，实验还验证了该机构的稳定性，确保机器人在各种姿态下都能保持平衡。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于搜索救援机器人、建筑机器人、农业机器人等领域。在搜索救援场景中，机器人可以利用该腿部机构快速穿越废墟，并利用高强度输出能力搬运伤员或清除障碍。在建筑领域，机器人可以利用该机构在复杂地形上进行施工作业。在农业领域，机器人可以利用该机构在田地中进行播种、施肥等作业。

📄 摘要（原文）

Search and rescue (SAR) robots are required to quickly traverse terrain and perform high-force rescue tasks, necessitating both terrain adaptability and controlled high-force output. Few platforms exist today for SAR, and fewer still have the ability to cover both tasks of terrain adaptability and high-force output when performing extraction. While legged robots offer significant ability to traverse uneven terrain, they typically are unable to incorporate mechanisms that provide variable high-force outputs, unlike traditional wheel-based drive trains. This work introduces a novel concept for a dynamically extensible and retractable robot leg. Leveraging a dynamically extensible and retractable five-bar linkage design, it allows for mechanically switching between height-advantaged and force-advantaged configurations via a geometric transformation. A testbed evaluated leg performance across linkage geometries and operating modes, with empirical and analytical analyses conducted on stride length, force output, and stability. The results demonstrate that the morphing leg offers a promising path toward SAR robots that can both navigate terrain quickly and perform rescue tasks effectively.