MiNI-Q: A Miniature, Wire-Free Quadruped with Unbounded, Independently Actuated Leg Joints

📄 arXiv: 2603.11537v1 📥 PDF

作者: Daniel Koh, Suraj Shah, Yufeng Wu, Dennis Hong

分类: cs.RO

发布日期: 2026-03-12

备注: 7 pages, 11 figures. Submitted to the IEEE RAS Conference on Ubiquitous Robots (UR 2026)

💡 一句话要点

MiNI-Q^2：一种具有无界独立驱动腿部关节的微型无线四足机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 四足机器人 微型机器人 无界关节 无线供电 运动控制

📋 核心要点

  1. 现有腿式机器人通常受限于物理关节限制，这限制了工作空间、约束了步态设计，并增加了硬件损坏的风险。
  2. MiNI-Q^2采用机械无界的2自由度腿部关节设计，每个关节独立驱动，从而克服了传统关节的运动范围限制。
  3. 实验验证了MiNI-Q^2的多种运动能力，包括高速运动、复杂地形适应、以及跳跃和后空翻等高难度动作。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种微型无线四足机器人MiNI-Q^2，其具有独立驱动、机械无界的2自由度腿部关节。论文展示了该机器人的机械设计、运动学分析和实验验证。这种腿部机构既能实现振荡步态，又能实现旋转运动，同时允许机器人折叠到最小2.5厘米的高度。实验表明，MiNI-Q^2的速度可达0.46米/秒，并能展示低间隙爬行、爬楼梯、倒立行走、跳跃和后空翻等动作。无线架构扩展了我们之前的Q8bot设计，提高了微型尺度的组装可靠性。所有机械和电气设计文件均开源发布，以支持可重复性和进一步研究。

🔬 方法详解

问题定义：腿式机器人设计中，物理关节限制是一个普遍存在的问题。这些限制会约束机器人的运动范围，影响步态设计，并可能导致硬件损坏。现有方法难以在微型机器人上实现大范围、高自由度的运动控制。

核心思路：MiNI-Q^2的核心思路是采用一种机械无界的腿部关节设计，每个关节都能够独立驱动，从而突破传统关节的运动范围限制。这种设计允许机器人执行更复杂的运动，并提高其在复杂环境中的适应性。

技术框架：MiNI-Q^2的整体架构包括：1）机械设计：设计具有无界运动范围的腿部关节机构；2）运动学分析：建立机器人运动学模型，用于运动规划和控制；3）控制系统：开发控制算法，实现机器人的各种运动功能；4）无线供电与通信：采用无线方式为机器人供电和通信，提高其灵活性和可靠性。

关键创新：MiNI-Q^2最重要的技术创新点在于其机械无界的腿部关节设计。这种设计允许每个关节进行360度以上的旋转，从而极大地扩展了机器人的运动范围。此外，无线架构也提高了机器人的集成度和可靠性。

关键设计：腿部关节采用特殊的机械结构，允许电机驱动关节进行连续旋转。控制系统采用PID控制算法，根据运动学模型计算出每个关节的目标角度，并控制电机驱动关节运动。无线供电采用感应耦合方式，将电能从外部电源传输到机器人内部。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

MiNI-Q^2实验结果表明，该机器人能够实现高达0.46米/秒的速度，并能成功完成低间隙爬行、爬楼梯、倒立行走、跳跃和后空翻等复杂动作。与之前的Q8bot设计相比，MiNI-Q^2的无线架构提高了组装可靠性，使其更适合微型化应用。

🎯 应用场景

MiNI-Q^2的设计理念和技术方案可应用于微型机器人、搜救机器人、侦察机器人等领域。其无界关节设计使其能够在复杂环境中灵活运动，执行各种任务。开源的设计文件也有助于其他研究者快速构建和改进类似的机器人系统，推动相关领域的发展。

📄 摘要（原文）

Physical joint limits are common in legged robots and can restrict workspace, constrain gait design, and increase the risk of hardware damage. This paper introduces MiNI-Q^2, a miniature, wire-free quadruped robot with independently actuated, mechanically unbounded 2-DOF leg joints. We present the mechanical design, kinematic analysis, and experimental validation of the proposed robot. The leg mechanism enables both oscillatory gaits and rotary locomotion while allowing the robot to fold to a minimum height of 2.5 cm. Experimentally, MiNI-Q achieves speeds up to 0.46 m/s and demonstrates low-clearance crawling, stair climbing, inverted locomotion, jumping, and backflipping. The wire-free architecture extends our previous Q8bot design, improving assembly reliability at miniature scale. All mechanical and electrical design files are released open source to support reproducibility and further research.