Contact-Implicit Modeling and Simulation of a Snake Robot on Compliant and Granular Terrain

📄 arXiv: 2512.05008v1 📥 PDF

作者: Haroon Hublikar

分类: cs.RO

发布日期: 2025-12-04

💡 一句话要点

针对蛇形机器人在复杂地形运动，提出接触隐式建模与仿真框架

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 蛇形机器人 复杂地形 接触隐式建模 土壤接触模型 离散单元法 运动仿真 机器人运动规划

📋 核心要点

  1. 现有蛇形机器人运动建模方法难以兼顾刚性、柔性和颗粒状等复杂地形，缺乏统一的分析框架。
  2. 采用接触隐式公式建模侧向移动中的摩擦，并集成Project Chrono的SCM和DEM引擎，分别处理连续介质和离散颗粒地形。
  3. 实验验证了该框架在不同地形下的有效性，揭示了地形变形对运动性能的影响，并为地形感知运动控制提供了依据。

📝 摘要（中文）

本论文提出了一个统一的建模与仿真框架，用于分析COBRA蛇形机器人在刚性、柔性和颗粒状地形上的侧向移动和翻滚运动。采用接触隐式公式来模拟侧向移动过程中的分布式摩擦相互作用，并通过MATLAB Simscape仿真以及在刚性地面和松散沙子上的物理实验进行了验证。为了捕捉地形变形的影响，集成了Project Chrono的土壤接触模型（SCM）与铰接多体动力学，从而能够预测滑移、沉陷和载荷重新分布，这些因素会降低在可变形基底上的步幅效率。对于陡坡上的高能量滚动运动，使用Chrono DEM引擎来模拟粒子解析的颗粒相互作用，揭示了刚性模型无法捕捉到的土壤破坏、间歇性抬升和能量耗散机制。总而言之，这些方法涵盖了实时控制导向的仿真和高保真颗粒物理。结果表明，刚性地面模型可以提供准确的短时程运动预测，而连续介质和基于粒子的地形建模对于在柔软和高度动态环境中进行可靠的移动性分析是必要的。这项工作建立了一个分层仿真流程，从而推进了在具有挑战性的非结构化环境中运行的机器人的鲁棒的、地形感知的运动。

🔬 方法详解

问题定义：蛇形机器人在复杂地形（刚性、柔性、颗粒状）上的运动建模与仿真是一个挑战。传统的刚性地面模型无法准确预测在可变形地形上的运动，而高精度的颗粒物理仿真计算成本高昂，难以应用于实时控制。因此，需要一个统一的框架，能够根据地形特性选择合适的模型，并在精度和效率之间取得平衡。

核心思路：本论文的核心思路是采用分层建模方法，针对不同的地形特性选择合适的模型。对于刚性地面，采用接触隐式公式进行建模；对于柔性地形，集成Project Chrono的土壤接触模型（SCM）；对于颗粒状地形，使用Chrono DEM引擎进行粒子解析的仿真。这种分层建模方法可以在保证精度的同时，提高仿真效率。

技术框架：该框架包含以下几个主要模块：1) 接触隐式模型：用于模拟蛇形机器人在刚性地面上的侧向移动；2) 土壤接触模型（SCM）：用于模拟蛇形机器人在柔性地形上的运动，考虑地形变形的影响；3) 离散单元法（DEM）：用于模拟蛇形机器人在颗粒状地形上的运动，考虑颗粒间的相互作用。这些模块通过Project Chrono进行集成，实现统一的建模与仿真。

关键创新：该论文的关键创新在于提出了一个统一的建模与仿真框架，能够处理刚性、柔性和颗粒状等多种地形。通过分层建模方法，根据地形特性选择合适的模型，在精度和效率之间取得了平衡。此外，该论文还集成了Project Chrono的SCM和DEM引擎，为蛇形机器人在复杂地形上的运动建模提供了新的工具。

关键设计：在接触隐式模型中，需要设置摩擦系数等参数。在SCM中，需要设置土壤的弹性模量、泊松比等参数。在DEM中，需要设置颗粒的尺寸、密度、摩擦系数等参数。这些参数的设置需要根据具体的地形特性进行调整。此外，为了提高仿真效率，可以采用并行计算等技术。

📊 实验亮点

通过MATLAB Simscape仿真和物理实验验证了接触隐式模型在刚性地面和松散沙子上的有效性。集成了Project Chrono的SCM和DEM引擎，能够预测滑移、沉陷和载荷重新分布等现象。结果表明，刚性地面模型可以提供准确的短时程运动预测，而连续介质和基于粒子的地形建模对于在柔软和高度动态环境中进行可靠的移动性分析是必要的。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于搜索救援、灾后勘探、管道检测等领域。蛇形机器人能够在复杂、非结构化的环境中运动，例如废墟、泥泞地面、沙地等，因此具有广泛的应用前景。未来，该研究可以进一步扩展到其他类型的机器人，例如履带式机器人、轮式机器人等，从而提高机器人在复杂地形下的适应能力。

📄 摘要（原文）

This thesis presents a unified modeling and simulation framework for analyzing sidewinding and tumbling locomotion of the COBRA snake robot across rigid, compliant, and granular terrains. A contact-implicit formulation is used to model distributed frictional interactions during sidewinding, and validated through MATLAB Simscape simulations and physical experiments on rigid ground and loose sand. To capture terrain deformation effects, Project Chrono's Soil Contact Model (SCM) is integrated with the articulated multibody dynamics, enabling prediction of slip, sinkage, and load redistribution that reduce stride efficiency on deformable substrates. For high-energy rolling locomotion on steep slopes, the Chrono DEM Engine is used to simulate particle-resolved granular interactions, revealing soil failure, intermittent lift-off, and energy dissipation mechanisms not captured by rigid models. Together, these methods span real-time control-oriented simulation and high-fidelity granular physics. Results demonstrate that rigid-ground models provide accurate short-horizon motion prediction, while continuum and particle-based terrain modeling becomes necessary for reliable mobility analysis in soft and highly dynamic environments. This work establishes a hierarchical simulation pipeline that advances robust, terrain-aware locomotion for robots operating in challenging unstructured settings.