Crater Observing Bio-inspired Rolling Articulator (COBRA)

📄 arXiv: 2509.19473v1 📥 PDF

作者: Adarsh Salagame, Henry Noyes, Alireza Ramezani, Eric Sihite, Arash Kalantari

分类: cs.RO, eess.SY

发布日期: 2025-09-23

DOI: 10.1002/aisy.202500352

💡 一句话要点

COBRA：一种用于月球陨石坑探索的仿生滚动关节机器人

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 月球探测 蛇形机器人 仿生机器人 多模式运动 陨石坑探索

📋 核心要点

  1. 现有月球车在崎岖地形（如永久阴影陨石坑）中移动性受限，易被困住，难以有效勘探水冰资源。
  2. COBRA是一种蛇形机器人，结合滑行和翻滚两种运动模式，适应不同地形，提高在陨石坑中的移动能力。
  3. 通过仿真和实验验证，COBRA在极端地形中表现出良好的鲁棒性和能量效率，证明了其可行性。

📝 摘要（中文）

为了在月球上建立可持续的人类基地，美国宇航局致力于探索月球陨石坑中永久阴影区的水冰资源，这些资源可提供饮用水、氧气和火箭燃料。然而，目前获取月球冰矿藏的方法有限。虽然月球车已被用于探索月球表面数十年，但由于存在被困住的高风险，它们在穿越恶劣地形（如永久阴影陨石坑）时面临重大挑战。本报告介绍了一种多模式蛇形机器人COBRA（Crater Observing Bio-inspired Rolling Articulator），旨在克服沙克尔顿陨石坑崎岖环境中的移动性挑战。COBRA结合了滑行和翻滚运动，以适应各种陨石坑地形。在蛇形模式下，它使用侧向移动来穿越平坦或低倾斜表面，而在翻滚模式下，它通过连接头部和尾部形成一个圆形桶状结构，从而能够在陡峭的斜坡上以最小的能量快速移动。COBRA配备了板载计算机、立体相机、惯性测量单元和关节编码器，可促进实时数据收集和自主操作。本文通过仿真和实验验证，突出了COBRA在极端地形中导航的鲁棒性和效率。

🔬 方法详解

问题定义：论文旨在解决月球车在月球陨石坑等复杂地形中移动性受限的问题。现有月球车在陡峭、崎岖或松软的表面上容易被困住，导致探索效率低下，甚至任务失败。特别是在永久阴影区，地形更加复杂，对移动机器人的要求更高。

核心思路：论文的核心思路是设计一种仿生蛇形机器人，通过模仿蛇的运动方式，实现更强的地形适应性和移动能力。COBRA结合了蛇的滑行和翻滚两种运动模式，使其能够在不同地形条件下选择最优的移动方式。这种多模式运动方式能够有效克服传统轮式机器人的局限性。

技术框架：COBRA机器人的整体架构包括以下几个主要模块：1) 机械结构：由多个关节连接的蛇形结构，能够实现滑行和翻滚运动；2) 运动控制系统：控制各个关节的运动，实现不同的运动模式；3) 感知系统：包括立体相机、惯性测量单元和关节编码器，用于获取环境信息和自身状态；4) 板载计算机：用于处理感知数据、进行运动规划和控制。COBRA的运动流程是：首先通过感知系统获取环境信息，然后根据地形选择合适的运动模式，最后通过运动控制系统控制机器人运动。

关键创新：COBRA最重要的技术创新点在于其多模式运动能力。传统的蛇形机器人通常只采用一种运动模式，而COBRA能够根据地形条件自动切换滑行和翻滚两种模式。这种多模式运动能力使其能够适应更广泛的地形，提高移动效率和鲁棒性。此外，COBRA的控制系统也进行了优化，使其能够更精确地控制机器人的运动。

关键设计：COBRA的关键设计包括：1) 关节设计：采用特殊的关节结构，使其能够实现大范围的运动，并承受较大的载荷；2) 运动规划算法：设计了能够根据地形条件自动选择运动模式的算法；3) 控制算法：采用PID控制算法，精确控制各个关节的运动。此外，COBRA还采用了轻量化设计，以降低能量消耗。

📊 实验亮点

论文通过仿真和实验验证了COBRA在极端地形中的性能。仿真结果表明，COBRA能够在陡峭的斜坡上快速翻滚，并且能量消耗较低。实验结果表明，COBRA能够在崎岖的地面上稳定滑行，并且能够克服一定的障碍物。这些结果表明，COBRA具有良好的鲁棒性和效率，能够胜任月球陨石坑的探测任务。

🎯 应用场景

COBRA的设计理念和技术可应用于月球、火星等极端环境下的探测任务，尤其适用于勘探陨石坑、洞穴等复杂地形。该机器人能够携带科学仪器，进行原位分析，为未来的资源利用和科学研究提供支持。此外，COBRA的设计思路也可应用于灾后救援、管道检测等领域。

📄 摘要（原文）

NASA aims to establish a sustainable human basecamp on the Moon as a stepping stone for future missions to Mars and beyond. The discovery of water ice on the Moon's craters located in permanently shadowed regions, which can provide drinking water, oxygen, and rocket fuel, is therefore of critical importance. However, current methods to access lunar ice deposits are limited. While rovers have been used to explore the lunar surface for decades, they face significant challenges in navigating harsh terrains, such as permanently shadowed craters, due to the high risk of immobilization. This report introduces COBRA (Crater Observing Bio-inspired Rolling Articulator), a multi-modal snake-style robot designed to overcome mobility challenges in Shackleton Crater's rugged environment. COBRA combines slithering and tumbling locomotion to adapt to various crater terrains. In snake mode, it uses sidewinding to traverse flat or low inclined surfaces, while in tumbling mode, it forms a circular barrel by linking its head and tail, enabling rapid movement with minimal energy on steep slopes. Equipped with an onboard computer, stereo camera, inertial measurement unit, and joint encoders, COBRA facilitates real-time data collection and autonomous operation. This paper highlights COBRAs robustness and efficiency in navigating extreme terrains through both simulations and experimental validation.