ARCSnake V2: An Amphibious Multi-Domain Screw-Propelled Snake-Like Robot

📄 arXiv: 2511.11970v1 📥 PDF

作者: Sara Wickenhiser, Lizzie Peiros, Calvin Joyce, Peter Gavrilrov, Sujaan Mukherjee, Syler Sylvester, Junrong Zhou, Mandy Cheung, Jason Lim, Florian Richter, Michael C. Yip

分类: cs.RO

发布日期: 2025-11-15

备注: 8 pages, 9 figures, ICRA

💡 一句话要点

ARCSnake V2：一种用于多域环境的螺旋推进两栖蛇形机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 蛇形机器人 螺旋推进 两栖机器人 多域运动 水下机器人

📋 核心要点

  1. 传统轮式或腿式机器人在洞穴、海洋和行星表面等复杂地形中移动困难，因为这些环境表面变化大，难以适应。
  2. ARCSnake V2采用螺旋推进的蛇形机器人设计，结合了蛇形机器人的高机动性和螺旋推进器的地形适应性，实现多地形运动。
  3. 实验验证了ARCSnake V2在水下环境中的机动性、通信稳定性和力控能力，使其成为多域环境探索的有效平台。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种名为ARCSnake V2的两栖蛇形机器人，它采用螺旋推进方式，专为在陆地、颗粒介质和水生环境等极端环境中进行遥控或自主移动而设计。ARCSnake V2结合了高机动性的超冗余蛇形机器人和阿基米德螺旋推进器的地形适应性。其主要贡献包括：水密机械设计，具有串联的螺旋和关节驱动；集成的浮力控制系统；以及通过运动学匹配的手持控制器进行遥控。该机器人的设计和控制架构支持多种运动模式，包括螺旋运动、轮式运动和侧向运动，并且可以在这些模式之间平滑过渡。大量的实验验证了其水下机动性、通信鲁棒性和力调节驱动能力。这些能力使ARCSnake V2成为在多域环境中进行探索、搜索和救援以及环境监测的多功能平台。

🔬 方法详解

问题定义：现有轮式或腿式机器人在复杂多变的地形（如洞穴、海洋、行星表面）中难以有效移动。这些地形通常包含陆地、水域、颗粒介质等多种介质，对机器人的运动能力提出了挑战。传统的机器人难以在这些环境中实现稳定和高效的运动。

核心思路：ARCSnake V2的核心思路是将蛇形机器人的高机动性和阿基米德螺旋推进器的地形适应性相结合。蛇形机器人具有超冗余的关节，可以灵活地适应复杂地形；螺旋推进器则可以在多种介质中提供有效的推进力。通过这种结合，ARCSnake V2旨在实现跨多种地形的稳定和高效运动。

技术框架：ARCSnake V2的整体架构包括以下几个主要模块：1) 机械结构：采用水密设计，包含多个串联的螺旋推进器和关节。2) 驱动系统：每个螺旋推进器和关节都由独立的电机驱动，实现精确的运动控制。3) 浮力控制系统：集成的浮力控制系统可以调节机器人在水中的浮力，提高水下机动性。4) 控制系统：采用运动学匹配的手持控制器进行遥控，并支持自主运动模式。5) 通信系统：保证在水下环境中的稳定通信。

关键创新：ARCSnake V2的关键创新在于其多域运动能力和集成设计。它不仅可以在陆地上进行轮式运动和侧向运动，还可以在水下进行螺旋推进运动。此外，集成的浮力控制系统和水密设计使其能够在水下环境中稳定工作。这种多域运动能力和集成设计是现有机器人所不具备的。

关键设计：ARCSnake V2的关键设计包括：1) 螺旋推进器的几何形状和螺距，用于优化在不同介质中的推进效率。2) 关节的运动范围和力矩，用于实现灵活的运动控制。3) 浮力控制系统的容量和调节范围，用于实现精确的浮力控制。4) 控制器的运动学匹配，用于实现直观的遥控操作。这些参数经过精心设计和优化，以实现最佳的性能。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，ARCSnake V2在水下环境中具有良好的机动性，能够实现精确的运动控制。通信测试表明，其通信系统在水下环境中具有良好的鲁棒性，能够保证稳定的数据传输。力调节驱动测试表明，其驱动系统能够实现精确的力控制，使其能够适应不同的负载条件。这些实验结果验证了ARCSnake V2的设计和控制架构的有效性。

🎯 应用场景

ARCSnake V2具有广泛的应用前景，包括：在洞穴、海洋和行星表面等极端环境中进行探索；在灾难现场进行搜索和救援；以及在水下环境中进行环境监测。其多域运动能力使其能够适应各种复杂地形，为这些应用提供了一种有效的解决方案。未来，ARCSnake V2有望在科学研究、工程应用和公共安全等领域发挥重要作用。

📄 摘要（原文）

Robotic exploration in extreme environments such as caves, oceans, and planetary surfaces pose significant challenges, particularly in locomotion across diverse terrains. Conventional wheeled or legged robots often struggle in these contexts due to surface variability. This paper presents ARCSnake V2, an amphibious, screw propelled, snake like robot designed for teleoperated or autonomous locomotion across land, granular media, and aquatic environments. ARCSnake V2 combines the high mobility of hyper redundant snake robots with the terrain versatility of Archimedean screw propulsion. Key contributions include a water sealed mechanical design with serially linked screw and joint actuation, an integrated buoyancy control system, and teleoperation via a kinematically matched handheld controller. The robots design and control architecture enable multiple locomotion modes screwing, wheeling, and sidewinding with smooth transitions between them. Extensive experiments validate its underwater maneuverability, communication robustness, and force regulated actuation. These capabilities position ARCSnake V2 as a versatile platform for exploration, search and rescue, and environmental monitoring in multi domain settings.