Co-design of trajectory and morphology for a vertical jump-climbing robot

📄 arXiv: 2609.31014v1 📥 PDF

作者: Christopher Y. Xu, Elliot W. Hawkes

分类: cs.RO

发布日期: 2026-09-25

备注: 8 pages

💡 一句话要点

提出一种新型跳跃攀爬机器人以解决垂直攀爬的灵活性问题

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 攀爬机器人 跳跃机制 动态机动性 形态优化 轨迹设计 复杂环境

📋 核心要点

  1. 现有攀爬机器人通常采用保守的步态，限制了其在复杂垂直环境中的动态机动能力。
  2. 本文提出了一种新型的跳跃攀爬机器人，通过共同设计形态和运动轨迹，实现了快速的垂直攀爬。
  3. 实验结果显示，该机器人能够以0.375米/秒的速度持续攀爬，展现出优于现有方法的性能。

📝 摘要（中文）

动物如松鼠和熊能够迅速攀爬树木和复杂的垂直地形，但攀爬机器人在实现类似灵活性方面面临挑战。现有机器人通常采用保守的步态以保持与表面的接触，限制了动态机动性。本文提出了一种290克的机器人，首次通过跳跃（包含空中阶段）实现垂直攀爬。我们利用共同设计工作流程，联合优化形态和轨迹，以实现快速运动，同时考虑到刺状抓手的附着力限制。优化后的轨迹包括快速的垂直发射和空中重定向，使前抓手能够重新接触表面。实验表明，该机器人能够以0.375米/秒的速度持续攀爬，并能实现地面运动和向垂直表面的过渡。

🔬 方法详解

问题定义：本文旨在解决现有攀爬机器人在复杂垂直环境中灵活性不足的问题。现有方法多依赖保守步态，导致动态机动性受限。

核心思路：我们提出了一种新的跳跃攀爬机制，通过联合优化机器人的形态和运动轨迹，提升其在垂直表面上的攀爬能力。这样的设计使机器人能够在空中进行重定向，增强了其灵活性。

技术框架：整体架构包括形态设计和轨迹优化两个主要模块。首先，通过对机器人的形态进行优化，确保其在跳跃时能够产生足够的附着力；其次，优化运动轨迹以实现快速的垂直发射和空中重定向。

关键创新：本文的主要创新在于首次实现了通过跳跃方式进行垂直攀爬的机器人，突破了传统步态的限制，显著提升了攀爬灵活性。

关键设计：在设计中，我们设置了特定的附着力限制，并采用了适应性损失函数来优化形态与轨迹的联合设计。机器人形态的关键参数包括抓手的形状和材料，以确保在不同表面上的有效附着。

🖼️ 关键图片

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📊 实验亮点

实验结果表明，优化后的机器人能够以0.375米/秒的速度持续攀爬，相当于其自身长度的1.97倍，展示了显著的性能提升。与现有方法相比，该机器人在动态机动性和攀爬能力上均有显著改善。

🎯 应用场景

该研究的潜在应用领域包括搜索与救援、环境监测以及城市基础设施维护等。通过提升攀爬机器人的灵活性和适应性，未来可在复杂环境中执行更为高效的任务，具有重要的实际价值和社会影响。

📄 摘要（原文）

Animals such as squirrels and even bears have adapted to rapidly climb up trees and other complex vertical terrain, but achieving comparable agility has been a challenge for climbing robots. Existing robots often use walking gaits and move conservatively to stay in contact with the surface, which limits the range of dynamic maneuvers. In this paper we present a 290 g robot that, to our knowledge, is the first to climb vertically by bounding (with an aerial phase). We leverage a co-design workflow, in which the morphology and trajectory are jointly optimized for fast locomotion, subject to adhesion force limitations seen in spined grippers. The resulting trajectory includes a rapid maneuver that launches the robot vertically, and an aerial reorientation that brings the front grippers back to the surface using the rear leg as an inertial tail. We evaluate the resulting jump forces in 2D force space and demonstrate that the optimized morphology is capable of continuous climbing at a speed of 0.375 m/s (1.97 body lengths/s), and can also achieve ground locomotion and transition to a vertical surface. Our work proposes design insights for the jump-climbing maneuver and serves as an important step toward creating climbing robots with agility on par with that of animals.