S-Rolling: Steerable Rolling Gaits for Twistable Snake Robots in Low-Clearance Environments
作者: Qingling Fan, Zhongqiang Ren
分类: cs.RO
发布日期: 2026-10-21
💡 一句话要点
提出S-Rolling以解决低净空环境下蛇形机器人灵活性问题
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: 蛇形机器人 低净空环境 滚动步态 平面转向 运动学模型 灵活性 机器人技术
📋 核心要点
- 现有的蛇形机器人在低净空环境中机动性不足，滚动步态与转向步态之间存在矛盾。
- 本文提出S-Rolling，通过S形骨架设计，实现低扫高度与平面转向的结合，解决了现有方法的局限性。
- 实验结果表明，S-Rolling在低净空场景中能够成功进行约90°和180°的转向，而基线滚动弧步态无法实现这一点。
📝 摘要（中文）
蛇形机器人能够以无肢体的方式穿越复杂环境，但在低净空环境中的机动性仍然面临挑战，因为步态必须保持较小的扫高度，同时提供平面转向。现有的滚动步态虽然保持了低扫高度的身体配置，但通常提供有限的转向能力，而转向步态则往往引入垂直起伏并需要额外的净空。为此，本文开发了S-Rolling，这是一种可转向的滚动步态，结合了低扫高度的运动与平面机动性。S-Rolling采用S形平面骨架曲线设计，头尾段以独立控制的角速度滚动，产生不同的运动模式。我们推导了其关节空间步态方程，并建立了一个准静态运动学模型，将段滚动速度与机器人线性和角速度关联起来。实际机器人实验展示了多种运动模式，成功穿越10厘米净空测试轨道，并在大型工件和汽车底盘下进行机动任务。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决蛇形机器人在低净空环境中的机动性问题。现有的滚动步态虽然保持低扫高度，但转向能力有限，而转向步态则需要更多的净空，导致无法在狭窄空间中有效操作。
核心思路：S-Rolling结合了低扫高度的滚动与平面转向能力，采用S形平面骨架设计，使得头尾段能够独立控制角速度，从而实现多种运动模式的灵活切换。
技术框架：整体架构包括S形骨架的设计、关节空间步态方程的推导以及准静态运动学模型的建立。主要模块包括运动模式生成、速度控制和实验验证。
关键创新：S-Rolling的最大创新在于其独特的S形设计与独立控制的角速度，使得机器人在低净空环境中能够灵活转向，克服了传统方法的局限性。
关键设计：在设计中，采用了中央扭转关节来实现两个段之间的相对旋转，并通过准静态运动学模型将段的滚动速度与机器人整体的线性和角速度关联，确保了运动的协调性与稳定性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果显示，S-Rolling在10厘米净空测试轨道中成功执行了多种运动模式，并能够在狭窄空间内实现约90°和180°的转向，而基线滚动弧步态无法完成此类转向，展示了显著的性能提升。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括狭窄空间的探测、救援任务以及工业自动化等。S-Rolling的灵活性使得蛇形机器人能够在复杂环境中高效工作，未来可能在机器人技术和自动化领域产生深远影响。
📄 摘要（原文）
Snake robots can traverse complex environments with limbless locomotion, but maneuvering in low-clearance environments remains challenging because a gait must maintain a small swept height while also providing planar steering. Existing rolling gaits preserve a low swept height body configuration but generally provide limited steering, whereas steering gaits often introduce vertical undulation and require additional clearance. With that in mind, this paper develops S-rolling, a steerable rolling gait that combines low swept height locomotion with planar maneuverability for twistable snake robots. S-rolling is designed using an S-shaped planar backbone curve, whose head and tail segments roll with independently controlled angular velocities, producing different motion modes. We derive its joint space gait equation, in which a central twist joint realizes the relative rotation between the two segments. We also develop a quasi-static kinematic model relating the segment rolling speeds to the linear and angular velocities of the robot. Real-robot experiments demonstrate the various motion modes, traversal through a 10 cm clearance test track, and maneuvering tasks beneath a large workpiece and a car chassis. In these low-clearance scenarios, S-rolling successfully performs approximately 90$^\circ$ and 180$^\circ$ heading changes, whereas the baseline rolling arc gait cannot change the robot heading.