A Biomimetic Vertebraic Soft Robotic Tail for High-Speed, High-Force Dynamic Maneuvering

📄 arXiv: 2509.20219v1 📥 PDF

作者: Sicong Liu, Jianhui Liu, Fang Chen, Wenjian Yang, Juan Yi, Yu Zheng, Zheng Wang, Wanchao Chi, Chaoyang Song

分类: cs.RO

发布日期: 2025-09-24

备注: 20 pages, 11 figures, 4 tables. Submitted Under Review

💡 一句话要点

提出仿生椎骨软体机器人尾部，用于高速高力动态操控

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 软体机器人 机器人尾部 仿生设计 动力学控制 敏捷机器人

📋 核心要点

  1. 现有机器人尾部设计在刚性系统的动力和软体系统的安全之间存在权衡，刚性尾部惯性大但有安全风险，软体尾部安全但速度和力量不足。
  2. 论文提出一种仿生椎骨软体机器人尾部（BVSR），通过被动关节椎柱加固顺应性气动体，解耦负载和驱动，实现高压驱动和卓越动力学性能。
  3. 实验结果表明，BVSR尾部角速度超过670°/s，惯性力达5.58 N，扭矩达1.21 Nm，相比非椎骨设计提升超过200%，并在多种场景下验证了其有效性。

📝 摘要（中文）

本文提出了一种仿生椎骨软体机器人（BVSR）尾部，旨在解决刚性系统动力学性能强但安全性差，以及软体系统安全性好但速度和力量不足的难题。该设计采用顺应性气动体，并由受肌肉骨骼结构启发的被动关节椎柱加固。这种混合设计解耦了负载和驱动，实现了高达6 bar的高压驱动，从而在保持顺应性的同时实现了卓越的动力学性能。论文开发并验证了一个包含椎骨约束的专用运动学和动力学模型。BVSR尾部实现了超过670°/s的角速度，并产生了高达5.58 N的惯性力和1.21 Nm的扭矩，与非椎骨设计相比提高了200%以上。在快速小车稳定、障碍物规避、高速转向和四足机器人集成等方面的演示验证了其多功能性和在敏捷机器人平台中的实用性。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人尾部设计面临刚性和柔性的两难选择。刚性尾部虽然能够产生较大的惯性力矩，从而实现快速的姿态调整和运动控制，但在与环境交互时容易造成碰撞和损坏，安全性较差。而传统的软体尾部虽然具有良好的安全性，但由于材料和驱动方式的限制，其输出的力和速度往往不足，难以满足高动态运动的需求。因此，如何在保证安全性的前提下，提高机器人尾部的动力学性能，是本文要解决的核心问题。

核心思路：本文的核心思路是借鉴生物肌肉骨骼结构，设计一种混合式的机器人尾部。该尾部由一个顺应性的气动体作为主要驱动机构，同时利用一个被动关节的椎柱结构来增强其刚度和承载能力。这种设计将负载和驱动解耦，使得气动体可以承受更高的压力，从而产生更大的力和速度，而椎柱结构则可以保证尾部的整体刚性和稳定性。

技术框架：BVSR尾部的整体架构包括：1）一个由多个气室组成的顺应性气动体，用于产生弯曲运动；2）一个由多个椎骨关节连接而成的椎柱结构，用于增强尾部的刚度和承载能力；3）一套气动控制系统，用于精确控制气室的压力，从而实现尾部的运动控制；4）一个运动学和动力学模型，用于描述尾部的运动特性和力学性能。该模型考虑了椎骨的约束，能够更准确地预测尾部的运动行为。

关键创新：本文最重要的技术创新点在于将椎柱结构引入到软体机器人尾部设计中。这种混合式的设计有效地结合了软体机器人的安全性和刚性机器人的动力学性能，突破了传统软体机器人尾部的性能瓶颈。此外，论文还提出了一个考虑椎骨约束的运动学和动力学模型，能够更准确地描述尾部的运动特性。

关键设计：气动体的材料选择具有高柔韧性和抗压性的材料，例如硅胶或TPU。椎骨关节的设计需要保证一定的灵活性，同时又能够承受较大的载荷。气动控制系统需要能够精确控制气室的压力，以实现尾部的精确运动控制。论文中使用的气压范围为0-6 bar，通过实验确定了最佳的气压控制策略。

📊 实验亮点

实验结果表明，BVSR尾部能够实现超过670°/s的角速度，并产生高达5.58 N的惯性力和1.21 Nm的扭矩。与非椎骨设计的软体尾部相比，其动力学性能提升超过200%。在快速小车稳定、障碍物规避、高速转向和四足机器人集成等多个实验中，BVSR尾部均表现出良好的性能，验证了其在敏捷机器人平台中的实用性。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于多种敏捷机器人平台，例如四足机器人、轮式机器人等，提高其在复杂环境中的运动能力和稳定性。潜在应用领域包括搜救、侦察、物流等。未来，该技术有望进一步发展，应用于医疗康复、人机交互等领域，例如辅助患者进行运动训练，或作为人机协作的柔性执行器。

📄 摘要（原文）

Robotic tails can enhance the stability and maneuverability of mobile robots, but current designs face a trade-off between the power of rigid systems and the safety of soft ones. Rigid tails generate large inertial effects but pose risks in unstructured environments, while soft tails lack sufficient speed and force. We present a Biomimetic Vertebraic Soft Robotic (BVSR) tail that resolves this challenge through a compliant pneumatic body reinforced by a passively jointed vertebral column inspired by musculoskeletal structures. This hybrid design decouples load-bearing and actuation, enabling high-pressure actuation (up to 6 bar) for superior dynamics while preserving compliance. A dedicated kinematic and dynamic model incorporating vertebral constraints is developed and validated experimentally. The BVSR tail achieves angular velocities above 670°/s and generates inertial forces and torques up to 5.58 N and 1.21 Nm, indicating over 200% improvement compared to non-vertebraic designs. Demonstrations on rapid cart stabilization, obstacle negotiation, high-speed steering, and quadruped integration confirm its versatility and practical utility for agile robotic platforms.