Omni-Roach: A legged robot capable of traversing multiple types of large obstacles and self-righting

作者: Jonathan Mi, Yaqing Wang, Chen Li · ICRA 2022

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以下内容均依据论文全文，按其 CC BY 4.0 许可协议使用；其中的图已注明作者。

一句话总结

一台小型 RHex 式机器人结合了圆润外壳、翅膀和主动尾巴，借助从蟑螂身上学到的策略穿过柱子、凸起、沟槽和类草梁，并能自行翻正。

为何重要

废墟中的搜救、林地监测和行星探索需要能推开障碍物前进、而不是绕开它们的机器人。论文表明，多种机身形状和附肢策略可以集成到一台小型机器人中，并在每种障碍类型上进行测试。

问题

机器人通过避开障碍物能很好地导航，但在布满大型障碍物、必须与之发生物理交互的 3-D 地形中仍很吃力。同一实验室的早期工作分别找到了应对柱子、凸起、沟槽、柔性梁和自行翻正的策略，但还没有一台机器人把它们结合起来。

提出的方法

Omni-Roach 是一台具有柔顺腿的六足 RHex 类机器人；圆润外壳可被动地从柱子旁偏转并滚入缝隙，顶部外壳可张开为两片翅膀用于自行翻正，尾巴具有俯仰和偏航，用于抬起机身和敲击地面。共制造了两台原型：v1（1.8 kg，C 形腿）和更小的 v2（0.75 kg，S 形腿，更快的电机，相对更长的尾巴）。

关键见解

• 圆润的机身在无需任何感知或主动控制的情况下，100% 地使机器人偏转绕过柱子
• 没有尾巴时，两个版本都无法充分抬头以爬上凸起，v1 还会在抬头顶着梁时被卡住
• 在梁测试中，指向下方并在偏航方向摆动的尾巴将机身滚入缝隙，打破了摩擦和互锁接触，并且是唯一在全部四种接近角下都能穿越的模式
• 静止向下的尾巴只在 15° 至 45° 的接近角下穿越了梁，这表明尾巴摆动的一个作用是调整接近角
• v2 的提升被归因于相对更长的腿（机身长度的 14% 增至 25%）、相对更长的尾巴（54% 增至 73%）以及约 4× 的步频，而腿部力与体重之比只从 1.6 降至 1.4

主要结果

• v2 以 80% 的成功率爬上了 2.5× 髋高的凸起，而 v1 为 1.5× 髋高
• 尾巴处于初始位置时，v2 越过了 75% 机身长度（15 cm）的沟槽，v1 为 48%（17 cm）；尾巴运动对两个版本越过沟槽都没有改善
• v2 穿越了间隙为 65% 机身宽度（12 cm，机身横滚约 50°）的梁，v1 为 91%（21 cm，横滚约 24°）
• 在平地上，v2 在 4.0 s 内自行翻正，成功率 100%；v1 在 4 s 内的成功率为 90%
• 柱子间距在摘要中给出为机身宽度的 1.1×，在结尾部分给出为机身宽度的 1.08×（四根柱子间距 20 cm，v2 宽 18.5 cm）
• 在 160 次梁试验中（每种尾巴模式和接近角各 10 次），在 15°、30° 和 45° 下，向下且在偏航方向摆动的尾巴比静止向下的尾巴使平均穿越时间缩短了 30%

局限

• 机器人在各移动模式之间由人工控制；作者将用于自主转换的视觉和接触力感知列为未来工作
• 腿部和尾巴电机太慢，无法进行动态的沟槽穿越，因此尾巴对越过沟槽没有帮助
• 有助于穿过柱子和梁的圆润外壳会使机器人偏离凸起；作者提出了一种可变形外壳
• 所有测试都在简单的实验室测试台上进行（铝制柱子和凸起、装在扭簧上的亚克力梁、贴有砂纸的洞洞板），自行翻正只在平地上测试

对领域的影响

入围 ICRA 2022 杰出移动能力（Locomotion）论文奖决选，被引用 20 次。论文未说明是否发布代码或设计文件；论文附有一段补充视频。

摘要

机器人擅长避开障碍物，但仍难以穿越充满大型障碍物的复杂 3-D 地形。相比之下，蟑螂等昆虫十分擅长这一点。我们实验室最近的研究阐明了，针对从复杂 3-D 地形中抽象出的多种移动挑战，移动模式转换如何从移动体与环境的相互作用中涌现，以及哪些策略能够克服这些挑战。在此，我们基于这些基础性认识，开发了一种受蟑螂启发的足式机器人 Omni-Roach，它整合了这些策略以实现多功能的移动能力。该机器人基于具有六条柔顺腿的 RHex 类设计，具有圆润的机身形状、两片可以张开的翅膀，以及一条具有俯仰和偏航自由度的主动尾巴。经过两轮开发和测试迭代，我们的机器人能够以高性能和高成功率克服所有移动挑战。它穿越了间距仅为机身宽度 1.1× 的杂乱刚性柱子、2.5× 髋高的凸起、0.75× 机身长度的沟槽、间距仅为其机身宽度 65% 的密集柔性梁，并在 4 秒内自行翻正。关于尾巴使用和梁穿越接近角的系统实验表明，指向下方并敲击地面的主动尾巴有助于将机身滚入缝隙，并打破摩擦和互锁接触，从而实现穿越。

链接

• arXiv 2112.10614: https://arxiv.org/abs/2112.10614
• DOI 10.1109/ICRA46639.2022.9811372: https://doi.org/10.1109/ICRA46639.2022.9811372
• PDF: https://arxiv.org/pdf/2112.10614v1