PerchMobi^3: A Multi-Modal Robot with Power-Reuse Quad-Fan Mechanism for Air-Ground-Wall Locomotion

📄 arXiv: 2509.12620v1 📥 PDF

作者: Yikai Chen, Zhi Zheng, Jin Wang, Bingye He, Xiangyu Xu, Jialu Zhang, Huan Yu, Guodong Lu

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-16

备注: 7 pages, 8 figures. This work has been submitted to the IEEE for possible publication

💡 一句话要点

PerchMobi^3：一种用于空-地-墙运动的动力复用四风扇多模态机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 多模态机器人 动力复用 四风扇 空地墙运动 负压吸附

📋 核心要点

  1. 现有机器人难以在单一平台无缝集成飞行、地面行驶和墙壁攀爬，通常依赖额外吸附执行器，增加复杂性和降低效率。
  2. PerchMobi^3通过复用四个涵道风扇，同时提供空中推力和负压吸附，并结合主动驱动轮，实现推进-吸附动力复用。
  3. 实验验证了PerchMobi^3在地面驱动、墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换中的可行性，展示了其在不同场景下的适应性。

📝 摘要（中文）

本文提出PerchMobi^3，一种四风扇负压空-地-墙机器人，它实现了推进-吸附动力复用机制，旨在解决现有机器人依赖额外吸附执行器导致复杂性增加、效率降低和可靠性降低的问题。PerchMobi^3通过将四个涵道风扇同时用于提供空中推力和负压吸附，并将其与四个主动驱动轮集成，无需专用泵即可保持轻巧紧凑的设计。据我们所知，这是第一个展示用于多模态运动的功能性动力复用的四风扇原型。建模和控制框架实现了地面、墙壁和空中领域之间的协调操作以及风扇辅助的转换。通过涵盖地面驱动、有效载荷辅助的墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换的一系列综合实验验证了设计的可行性，证明了在各种运动场景中的强大适应性。这些结果突出了PerchMobi^3作为多模态机器人移动性的新型设计范例的潜力，为未来扩展到自主和面向应用的部署铺平了道路。

🔬 方法详解

问题定义：现有能够进行空中、地面和墙壁运动的多模态机器人通常需要额外的吸附执行器（例如真空泵或磁铁），这增加了机器人的复杂性、重量和功耗，降低了整体效率和可靠性。论文旨在设计一种结构更简单、效率更高的多模态机器人，能够无缝地在空中、地面和墙壁之间切换。

核心思路：论文的核心思路是利用四个涵道风扇，通过动力复用机制，同时提供空中推力和负压吸附力。这意味着同一个风扇既可以用于产生向上的推力以实现飞行，也可以用于产生负压以吸附在墙壁上。通过这种方式，可以省去额外的吸附执行器，从而简化机器人结构，减轻重量，提高效率。

技术框架：PerchMobi^3 机器人由四个涵道风扇和四个主动驱动轮组成。整体架构包括：1) 四个涵道风扇，用于提供推力和吸附力；2) 四个主动驱动轮，用于地面运动；3) 一个控制系统，用于协调风扇和轮子的运动，实现不同模式之间的平滑过渡；4) 建模框架，用于预测机器人的运动状态和控制参数。机器人可以在地面模式、墙壁模式和空中模式之间切换，并通过风扇辅助实现平滑过渡。

关键创新：该论文最重要的技术创新点在于提出了推进-吸附动力复用机制。与传统的需要独立执行器来实现推进和吸附的多模态机器人不同，PerchMobi^3 通过巧妙地利用涵道风扇的特性，实现了用同一套动力系统完成两种不同的功能。据作者所知，这是第一个展示用于多模态运动的功能性动力复用的四风扇原型。

关键设计：关键设计包括：1) 涵道风扇的几何形状和尺寸，需要优化以同时提供足够的推力和吸附力；2) 风扇的控制策略，需要根据不同的运动模式进行调整；3) 轮子的驱动方式和控制算法，需要与风扇的运动协调配合；4) 机器人整体的重量分布和重心位置，需要进行优化以保证机器人的稳定性和可控性。

📊 实验亮点

实验结果表明，PerchMobi^3能够成功实现地面驱动、有效载荷辅助的墙壁攀爬、空中飞行和跨模式转换。例如，机器人能够携带一定重量的有效载荷攀爬垂直墙壁，并在空中稳定飞行。这些实验验证了动力复用机制的有效性和机器人的多模态运动能力。虽然论文中没有提供具体的性能数据和对比基线，但实验结果足以证明该设计的可行性。

🎯 应用场景

PerchMobi^3具有广泛的应用前景，例如：1) 建筑物检测与维护：可用于高层建筑的外墙检测、裂缝检测和维修；2) 灾后救援：可用于在复杂环境中搜索幸存者，并运送救援物资；3) 工业巡检：可用于在工厂、仓库等场所进行设备巡检和安全监控。该研究为多模态机器人设计提供了一种新的思路，有望推动机器人在更多领域的应用。

📄 摘要（原文）

Achieving seamless integration of aerial flight, ground driving, and wall climbing within a single robotic platform remains a major challenge, as existing designs often rely on additional adhesion actuators that increase complexity, reduce efficiency, and compromise reliability. To address these limitations, we present PerchMobi^3, a quad-fan, negative-pressure, air-ground-wall robot that implements a propulsion-adhesion power-reuse mechanism. By repurposing four ducted fans to simultaneously provide aerial thrust and negative-pressure adhesion, and integrating them with four actively driven wheels, PerchMobi^3 eliminates dedicated pumps while maintaining a lightweight and compact design. To the best of our knowledge, this is the first quad-fan prototype to demonstrate functional power reuse for multi-modal locomotion. A modeling and control framework enables coordinated operation across ground, wall, and aerial domains with fan-assisted transitions. The feasibility of the design is validated through a comprehensive set of experiments covering ground driving, payload-assisted wall climbing, aerial flight, and cross-mode transitions, demonstrating robust adaptability across locomotion scenarios. These results highlight the potential of PerchMobi^3 as a novel design paradigm for multi-modal robotic mobility, paving the way for future extensions toward autonomous and application-oriented deployment.