Omnidirectional Amphibious Locomotion via Internal Mass Actuation
作者: Niko Weaver, Boxi Xia, Li-Yu Lo, Yuhao Huang, Boyuan Chen
分类: cs.RO
发布日期: 2026-09-23
💡 一句话要点
提出MARBLE以解决多种地形和水面移动问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 两栖机器人 全向移动 质量重分配 环境适应性 机器人控制
📋 核心要点
- 现有的机器人在多样地形和水面移动时面临鲁棒性不足和复杂的机械配置问题。
- MARBLE通过内部质量重分配实现全向两栖移动，采用简单的机械设计，避免了复杂的重配置。
- 实验结果显示，MARBLE在不同地形和水面上均表现出优异的移动能力，且能有效应对障碍物。
📝 摘要（中文）
野外机器人必须能够在多样的地形和障碍物中穿行，同时对水、碎片、植被和物理接触保持鲁棒性。我们提出了MARBLE，这是一种完全封闭的全向两栖滚动机器人，完全由内部质量重分配驱动。三个相互正交的线性滑块移动内部质量以产生机体旋转，同时方向感知控制器将平面速度命令映射到滑块位置。一个刚性球形外壳封闭所有活动机制，同时作为地面接触表面、浮力外壳和被动鳍的安装结构，后者使水面推进成为可能。相同的外壳结构的旋转因此可以在陆地上滚动和在水中推进，而无需机械重配置或单独的运动驱动器。实验表明，MARBLE能够结合全向移动、跨介质运动和对环境接触的容忍性，提供紧凑的设计以应对异质地形、障碍物和陆水过渡。
🔬 方法详解
问题定义：本论文旨在解决现有机器人在多样地形和水面移动时的鲁棒性不足及复杂的机械配置问题。现有方法往往需要多种驱动器和复杂的机械结构，导致重量和成本增加。
核心思路：MARBLE的核心解决思路是通过内部质量重分配实现全向移动，利用三个相互正交的滑块来控制机体的旋转和移动，简化了机械设计。
技术框架：MARBLE的整体架构包括一个刚性球形外壳、三个线性滑块和一个方向感知控制器。滑块负责内部质量的移动，控制器则将用户的速度命令转换为滑块位置。
关键创新：MARBLE的最大技术创新在于其完全封闭的结构和内部质量重分配机制，允许机器人在不同环境中无缝切换移动方式，而无需额外的机械配置或驱动器。
关键设计：关键设计包括滑块的精确控制算法和方向感知控制器的实现，确保机器人在复杂环境中能够快速响应并调整移动策略。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，MARBLE在异质地形和水面上的移动能力显著优于传统机器人，能够实现快速的陆水过渡和有效的障碍物交互。具体性能数据尚未提供，但实验展示了其在多种环境下的适应性和鲁棒性。
🎯 应用场景
MARBLE的设计使其在多种应用场景中具有潜在价值，例如灾后救援、环境监测和农业机器人等。其全向移动能力和对不同地形的适应性使其能够在复杂环境中高效工作，未来可能在野外探测和救援任务中发挥重要作用。
📄 摘要（原文）
Field robots must traverse varied terrain and obstacles while remaining robust to water, debris, vegetation, and physical contact. We present MARBLE, a fully enclosed omnidirectional amphibious rolling robot driven entirely by internal mass redistribution. Three mutually orthogonal linear sliders shift internal masses to generate body rotation, while an orientation-aware controller maps planar velocity commands into slider positions. A rigid spherical shell encloses all active mechanisms and simultaneously serves as the terrestrial contact surface, buoyant enclosure, and mounting structure for passive fins that enable water-surface propulsion. Rotation of the same shell architecture hence produces rolling on land and surface propulsion in water without mechanical reconfiguration or separate locomotion actuators. The spherical morphology further allows the robot to accommodate changes in body orientation and contact location during direct interactions with terrain and obstacles. We evaluate MARBLE through omnidirectional locomotion characterization, traversal across heterogeneous terrestrial environments, aquatic surface locomotion, land-water transitions, and deliberate obstacle interactions. These experiments demonstrate how a single enclosed mechanical architecture can combine omnidirectional mobility, cross-medium locomotion, and tolerance to environmental contact. MARBLE provides a compact design for field mobility across heterogeneous terrain, obstacles, and land-water transitions. We will open-source all software and hardware design. Our website is https://generalroboticslab.com/MARBLE