SCALER: Versatile Multi-Limbed Robot for Free-Climbing in Extreme Terrains

📄 arXiv: 2312.04856v3 📥 PDF

作者: Yusuke Tanaka, Yuki Shirai, Alexander Schperberg, Xuan Lin, Dennis Hong

分类: cs.RO

发布日期: 2023-12-08 (更新: 2025-07-01)

备注: Accepted to IEEE Transactions on Robotics (T-RO), 2025

💡 一句话要点

SCALER：面向极端地形自由攀爬的多肢通用机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 多肢机器人 自由攀爬 极端地形 灵巧抓取 全身控制

📋 核心要点

  1. 现有四足机器人难以兼顾高功率运动和精确抓取，限制了其在复杂环境下的应用。
  2. SCALER机器人通过创新的躯干机制和平行-串联肢体设计，实现了运动和抓取的平衡。
  3. SCALER配备了可机械自适应的GOAT夹爪，并结合全身控制，使其能够攀爬多种极端地形。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种通用的自由攀爬多肢机器人SCALER，旨在实现紧密耦合的同步运动和灵巧抓取。现有的四肢机器人已经展示了令人印象深刻的灵巧能力，但实现对动力需求大的运动和精确抓取之间的平衡仍然是一个关键挑战。我们设计了一种躯干机制和平行-串联肢体，以满足硬件设计中构成独特挑战的相互冲突的需求。SCALER采用欠驱动的两指GOAT夹爪，可以机械地适应并提供七种抓取模式，使SCALER能够通过多模式抓取策略穿越极端地形。我们研究了全身方法，其中SCALER利用其身体和肢体产生额外的力，以便在各种环境中实现稳定的抓取，从而进一步增强其通用性。此外，我们提高了GOAT夹爪的驱动速度，以实现以闭环控制方式进行的更动态的攀爬。凭借这些提出的技术，SCALER可以在地球重力下穿越垂直、悬垂、倒置、湿滑的地形和具有非凸形攀岩支点的抱石墙。

🔬 方法详解

问题定义：现有四足机器人虽然具备一定的灵巧性，但在需要高功率运动（如攀爬）的同时进行精确抓取时，性能会受到限制。如何在极端地形下实现机器人稳定、高效的自由攀爬是一个挑战。现有方法难以同时满足运动的动力需求和抓取的精度需求。

核心思路：SCALER的核心思路是通过优化硬件设计和控制策略，实现运动和抓取的协同。具体而言，通过特殊的躯干机制和平行-串联肢体设计，平衡运动和抓取的需求。同时，利用全身控制，使机器人能够利用身体和四肢产生额外的力，增强抓取的稳定性。

技术框架：SCALER的整体架构包括：1）躯干机制：用于支撑和调整机器人姿态；2）平行-串联肢体：提供运动和抓取能力；3）GOAT夹爪：实现多模式抓取；4）全身控制器：协调身体和肢体的运动，实现稳定攀爬。整个系统通过闭环控制实现动态攀爬。

关键创新：SCALER的关键创新在于：1）平行-串联肢体设计，兼顾了运动范围和抓取精度；2）GOAT夹爪，实现了机械自适应的多模式抓取；3）全身控制，利用身体和肢体协同作用，增强抓取稳定性。这些创新使得SCALER能够在极端地形下实现自由攀爬。

关键设计：GOAT夹爪采用欠驱动设计，能够机械地适应不同形状的攀岩支点。通过调整夹爪的结构和控制参数，实现了七种不同的抓取模式。全身控制器通过优化身体和肢体的运动轨迹，最大化抓取力，并保持机器人的平衡。

📊 实验亮点

SCALER机器人成功地在垂直、悬垂、倒置、湿滑的地形以及具有非凸形攀岩支点的抱石墙上进行了攀爬。通过提高GOAT夹爪的驱动速度，实现了更动态的攀爬，并验证了闭环控制的有效性。这些实验结果表明，SCALER具有很强的环境适应性和运动能力。

🎯 应用场景

SCALER机器人在搜救、勘探、建筑维护等领域具有广泛的应用前景。例如，在灾难现场，它可以攀爬废墟，搜寻幸存者；在矿山或洞穴中，它可以进行勘探和资源调查；在高层建筑中，它可以进行外墙维护和检测。该研究为极端环境下的机器人应用提供了新的思路和技术。

📄 摘要（原文）

This paper presents SCALER, a versatile free-climbing multi-limbed robot that is designed to achieve tightly coupled simultaneous locomotion and dexterous grasping. While existing quadrupedal-limbed robots have demonstrated impressive dexterous capabilities, achieving a balance between power-demanding locomotion and precise grasping remains a critical challenge. We design a torso mechanism and a parallel-serial limb to meet the conflicting requirements that pose unique challenges in hardware design. SCALER employs underactuated two-fingered GOAT grippers that can mechanically adapt and offer seven modes of grasping, enabling SCALER to traverse extreme terrains with multi-modal grasping strategies. We study the whole-body approach, where SCALER utilizes its body and limbs to generate additional forces for stable grasping in various environments, thereby further enhancing its versatility. Furthermore, we improve the GOAT gripper actuation speed to realize more dynamic climbing in a closed-loop control fashion. With these proposed technologies, SCALER can traverse vertical, overhanging, upside-down, slippery terrains and bouldering walls with non-convex-shaped climbing holds under the Earth's gravity.