Underactuated multimodal jumping robot for extraterrestrial exploration
作者: Neil R. Wagner, Justin K. Yim
分类: cs.RO
发布日期: 2026-03-06
备注: 8 pages, 14 figures, Accepted for ICRA 2026
💡 一句话要点
提出一种欠驱动多模态跳跃机器人，用于地外探索
🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱九：具身大模型 (Embodied Foundation Models)
关键词: 欠驱动机器人 多模态运动 跳跃机器人 地外探索 反作用轮 姿态控制
📋 核心要点
- 现有地外探索机器人难以适应复杂地形，需要一种能滚动、跳跃等多模态运动的机器人。
- 该机器人采用欠驱动设计，仅用两个反作用轮控制姿态，实现平衡、跳跃方向控制和空中姿态调整。
- 实验验证了该机器人能实现滚动、目标跳跃和着陆，以及自扶正功能，且系统尺寸小、重量轻。
📝 摘要（中文）
本文提出了一种滚动和跳跃的欠驱动单足机器人，旨在探索在低重力环境下进行多模态运动。该机器人仅使用两个反作用轮来控制其空间姿态，并配备两个控制器：一个平衡控制器，用于在地面上瞄准机器人的跳跃方向；以及一个空中重定向控制器，用于在飞行后瞄准机器人的腿部以进行着陆。我们展示了仅使用三个执行器即可实现滚动、目标跳跃和着陆以及自扶正，同时将系统尺寸保持在0.33米和1.25千克。在不同运动模式之间简单切换使系统能够应对不同的地形和环境条件。
🔬 方法详解
问题定义：现有地外探索机器人通常采用轮式或履带式移动方式，在复杂地形（如多石块、陡坡）下的移动能力受限。跳跃机器人虽然能克服地形障碍，但通常需要复杂的控制系统和多个执行器，导致体积和重量较大，不适用于资源有限的地外探索任务。因此，需要设计一种轻量化、控制简单的多模态运动机器人，以适应复杂的地外环境。
核心思路：本文的核心思路是采用欠驱动设计，即执行器的数量少于机器人的自由度。通过巧妙地利用反作用轮产生的力矩，控制机器人的姿态，从而实现平衡、跳跃方向控制和空中姿态调整。这种设计可以显著减少执行器的数量，降低机器人的体积和重量，提高其可靠性和能源效率。
技术框架：该机器人的整体架构包括：一个单足结构，两个反作用轮，以及两个控制器。平衡控制器负责在地面上维持机器人的平衡，并瞄准跳跃方向。空中重定向控制器负责在飞行过程中调整机器人的姿态，以便准确着陆。机器人通过切换不同的控制模式，实现滚动、跳跃和自扶正等多种运动模式。
关键创新：该论文最重要的技术创新点在于将欠驱动控制应用于多模态跳跃机器人。通过巧妙地设计反作用轮的布局和控制策略，实现了仅用两个执行器控制机器人的空间姿态，并实现了多种运动模式的切换。这种设计大大简化了机器人的结构和控制系统，提高了其适应性和可靠性。
关键设计：平衡控制器采用PID控制，根据机器人的倾角和角速度调整反作用轮的转速，以维持平衡。空中重定向控制器采用LQR控制，根据机器人的姿态误差和角速度误差调整反作用轮的转速，以实现姿态调整。跳跃动作通过控制腿部的伸缩来实现。控制器的参数需要根据机器人的动力学特性进行调整，以获得最佳的控制效果。
🖼️ 关键图片
📊 实验亮点
该机器人仅使用三个执行器（两个反作用轮和一个腿部伸缩机构）实现了滚动、目标跳跃和着陆以及自扶正等多种运动模式。系统尺寸为0.33米，重量为1.25千克，验证了欠驱动设计在小型跳跃机器人上的可行性。通过简单的控制模式切换，机器人能够适应不同的地形和环境条件。
🎯 应用场景
该研究成果可应用于地外行星或卫星的探索任务，例如月球、火星等。该机器人能够克服复杂地形，进行远距离移动和目标探测。此外，该技术还可以应用于灾后救援、环境监测等领域，在复杂环境下执行任务。
📄 摘要（原文）
We present a rolling and jumping underactuated monopedal robot designed to explore multimodal locomotion on low-gravity bodies. It uses only two reaction wheels to control its spatial orientation with two controllers: a balancing controller which can aim the robot's jump direction on the ground, and an aerial reorientation controller which can aim the robot's leg for landing after flight. We demonstrate rolling, targeted jumping and landing, and self-righting using only three actuators total, keeping system size to 0.33m and 1.25kg. Simple switching between locomotion modes enables the system to deal with differing landscapes and environmental conditions.