Make it Walk: Computational Design of LEGO Walkers
作者: Siqi Li, Fancheng Gao, Chi-Wing Fu, Peng Song
分类: cs.RO
发布日期: 2026-10-21
💡 一句话要点
提出一种计算设计方法以实现多种步态的LEGO步行器
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)
关键词: LEGO步行器 机械设计 控制算法 多样化步态 机器人研究 教育应用 3D打印
📋 核心要点
- 现有的LEGO步行器设计主要依赖于单一驱动器的机制，导致步态固定，适应性差。
- 本文提出通过特定的齿轮连杆机制和独立电机控制，实现多样化的步态和稳定的运动。
- 实验中展示了多种LEGO步行器的设计与制造，验证了其在现实环境中的运动能力和多样性。
📝 摘要（中文）
LEGO步行器是由模块化LEGO Technic积木构建的行走自动机，具有引人注目的运动能力和高度可重构性，广泛应用于教育、娱乐和机器人研究。然而，现有的LEGO步行器主要通过重用单一驱动器的行走机制设计，虽然运动稳定，但固定的步态限制了其适应性和多样性。本文提出了首个计算解决方案，能够设计出不仅稳定行走且支持多种步态的LEGO步行器。我们通过特定设计的齿轮连杆机制控制每条腿的足部运动轨迹，并通过独立电机驱动每条腿，利用简单而灵活的控制算法同步多条腿的运动时序，从而实现稳定多样的运动。基于此建模，我们共同设计了LEGO步行器的形态和控制，以满足目标运动和外观的需求。通过这种方法，我们创建了多种LEGO步行器，展示了不同的步态和外观，并在现实中制造了一些以展示其运动能力。
🔬 方法详解
问题定义：本文旨在解决现有LEGO步行器在步态适应性和多样性方面的不足，现有方法多依赖于固定的单一驱动机制，限制了其灵活性和应用范围。
核心思路：论文的核心思路是通过设计特定的齿轮连杆机制来控制每条腿的足部运动轨迹，并利用独立电机驱动每条腿，结合灵活的控制算法实现多样化的步态。这样的设计使得步行器不仅能稳定行走，还能适应不同的运动需求。
技术框架：整体架构包括两个主要模块：一是机械设计模块，负责设计齿轮连杆机制；二是控制模块，负责独立电机的同步控制。通过这两个模块的协同工作，实现了步行器的多样化运动。
关键创新：最重要的技术创新在于结合了3D打印的非圆齿轮与LEGO Technic机制，形成了一种新的机械设计方法，使得步行器能够实现多种步态，而不仅仅是依赖于固定的单一机制。
关键设计：在设计中，关键参数包括齿轮的尺寸和形状，电机的驱动时序，以及控制算法的灵活性。这些设计细节确保了步行器在不同步态下的稳定性和适应性。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
实验结果表明，所设计的LEGO步行器能够实现多种步态，展示了其在不同环境下的稳定性和适应性。与传统单一驱动机制的步行器相比，步态的多样性和灵活性有显著提升，验证了该方法的有效性。
🎯 应用场景
该研究的潜在应用领域包括教育、机器人研究和娱乐等。通过提供一种灵活的步行器设计方法，可以促进学生对机械设计和控制系统的理解，同时为机器人领域的研究提供新的思路和工具，推动相关技术的发展与应用。
📄 摘要（原文）
LEGO walkers are walking automata constructed from modular LEGO Technic bricks. They exhibit intriguing locomotion and are also highly reconfigurable through the modular Technic bricks, making them widely applicable in education, recreation, and robotics research. However, existing LEGO walkers are designed mostly by reusing existing single-actuator walking mechanisms. Although the locomotion is stable, their fixed walking gaits limit their adaptability and versatility. This paper presents the first computational solution capable of designing LEGO walkers that not only walk stably, but also support a variety of walking gaits. Our idea is twofold. First, we control the foot motion trajectory of each leg mechanically via a specifically-designed gear-linkage mechanism, in which we incorporate a pair of 3D-printed non-circular gears to work with a LEGO Technic mechanism. Second, we drive each leg by an independent motor and synchronize the timings of multiple leg motions via a simple yet adaptable control algorithm, enabling stable and versatile locomotion. Importantly, we take this modeling as a foundation to co-design the morphology and control of the LEGO walkers to meet the target locomotion and appearance. Leveraging our approach, we created a variety of LEGO walkers, demonstrating various walking gaits and appearances, and fabricated some of them to show their locomotion capability in the real world.