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將玩具彩虹圈彈簧首尾連接，竟能成為一臺自由爬行的軟體機(jī)器人？

是的，你沒看錯，就是兒童玩具彩虹圈彈簧（Slinky）！它在樓梯高處可依靠自身的彈性不斷“翻筋斗”，實(shí)現(xiàn)“拾級而下”。

受此彩虹圈玩具啟發(fā)，清華大學(xué)機(jī)械系李曙光副教授團(tuán)隊(duì)設(shè)計(jì)了一種名為 WHERE-Bot 的軟體螺旋環(huán)狀翻轉(zhuǎn)機(jī)器人。

它的外形類似于掃地機(jī)器人，采用彈簧圈作為主體結(jié)構(gòu)，通過滑環(huán)固定在中央輪轂上，并由電機(jī)驅(qū)動從而實(shí)現(xiàn)全向運(yùn)動。

與一般的軟體機(jī)器人相比，WHERE-Bot 無需依賴復(fù)雜的傳感器或控制系統(tǒng)，就能展現(xiàn)出卓越的環(huán)境交互性能。

研究人員建立了運(yùn)動學(xué)模型，用以解釋和預(yù)測機(jī)器人的運(yùn)動軌跡。該機(jī)器人主要有三種獨(dú)特的運(yùn)動模式：

第一種是沿輪轂進(jìn)行螺旋翻轉(zhuǎn)運(yùn)動；

（來源：課題組）

第二種是彈簧圈自身的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，類似于“自轉(zhuǎn)”；

（來源：課題組）

第三種是由于不均勻質(zhì)量分布產(chǎn)生的位移運(yùn)動，在每個運(yùn)動周期內(nèi)，機(jī)器人會向固定方向移動固定距離，最終形成類似“公轉(zhuǎn)”的運(yùn)動軌跡。

（來源：課題組）

在應(yīng)用前景方面，WHERE-Bot 展現(xiàn)出多方面的技術(shù)優(yōu)勢。其獨(dú)特的自翻轉(zhuǎn)推進(jìn)方式使其特別適合管道檢測任務(wù)，能夠在管道內(nèi)部實(shí)現(xiàn)高效移動。同時，該機(jī)器人在沙地或水域環(huán)境中，可通過翻轉(zhuǎn)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)物質(zhì)運(yùn)輸或挖掘功能，甚至可作為一種新型的流體推進(jìn)裝置。

更值得關(guān)注的是，其固有的環(huán)境探索和自主避障能力，使其能夠勝任未知洞穴等特種環(huán)境的探測任務(wù)。李曙光指出，WHERE-Bot 就像旋轉(zhuǎn)的乒乓球，一旦接觸其他物體，便能自動避開，這種能力是目前絕大多數(shù)軟體機(jī)器人所不具備的。

由于采用柔性結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，機(jī)器人在碰撞時不會造成設(shè)備損壞，并能夠調(diào)整運(yùn)動軌跡。這一特性使其有望應(yīng)用于新型移動機(jī)器人系統(tǒng)，甚至是“碰碰車”等娛樂設(shè)施，也可擴(kuò)展為大型運(yùn)載工具，在保證人機(jī)交互安全性的同時實(shí)現(xiàn)可靠運(yùn)行。

該研究不僅為軟體機(jī)器人領(lǐng)域帶來了新的設(shè)計(jì)思路，其建立的簡化運(yùn)動學(xué)模型也為類似系統(tǒng)的開發(fā)提供了理論參考。無論是小型化還是大型化應(yīng)用，WHERE-Bot 都展現(xiàn)出獨(dú)特的技術(shù)價值和廣闊的應(yīng)用前景。

思路創(chuàng)新：首尾相接的環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動方式

該研究是始于好奇心，在一次課題組的會議討論時，看著學(xué)生手里把玩的彩虹圈玩具，李曙光提出了一個創(chuàng)新的想法：如果將彩虹圈玩具的首尾相連，會產(chǎn)生怎樣的新奇運(yùn)動？

于是，團(tuán)隊(duì)成員立即行動，他們用膠帶將彈簧圈的首尾粘在一起，形成螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)，并設(shè)想如果讓它自動運(yùn)行起來，也許會沿著地面翻轉(zhuǎn)滾動。在此基礎(chǔ)上，研究人員開啟了對這款獨(dú)特機(jī)器人的研究。

大多數(shù)輪式機(jī)器人或軟體機(jī)器人在環(huán)境探索任務(wù)中，往往依賴傳感器來檢測障礙物的位置，并基于復(fù)雜的控制策略來實(shí)現(xiàn)避障功能。

WHERE-Bot 的不同之處在于，它具有螺旋環(huán)狀結(jié)構(gòu)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動的特點(diǎn)，因而不需要依賴傳感器，而是沿著障礙物的邊界不斷翻滾來自動繞開障礙物，并且能夠全向運(yùn)動。這種突破性的設(shè)計(jì)理念大大簡化了機(jī)器人的控制系統(tǒng)。

那么，它的運(yùn)動模式是如何做到螺旋運(yùn)動、“自轉(zhuǎn)”和“公轉(zhuǎn)”的呢？

該團(tuán)隊(duì)采用簡單的螺旋彈簧結(jié)構(gòu)，來實(shí)現(xiàn)無輪全向運(yùn)動。這種由機(jī)械結(jié)構(gòu)驅(qū)動的運(yùn)動方式非常新穎。其核心原理在于巧妙利用了與地面接觸時質(zhì)量分布不均勻產(chǎn)生的偏向性，通過調(diào)整電池和控制器的位置實(shí)現(xiàn)了定向運(yùn)動控制。

李曙光表示，這種首尾相接的環(huán)形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和翻轉(zhuǎn)運(yùn)動方式在機(jī)器人領(lǐng)域里是獨(dú)一無二的。它就像是一個環(huán)狀的螺絲，當(dāng)擰動這個“螺絲”時，會因與環(huán)境產(chǎn)生交互力而轉(zhuǎn)動起來。

研究人員在機(jī)器人上安裝了微型電機(jī)并與彈簧圈相連。當(dāng)電機(jī)轉(zhuǎn)動時，它會帶動彈簧圈翻轉(zhuǎn)，從而實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的復(fù)雜運(yùn)動。

為了增強(qiáng)運(yùn)動的可控性，團(tuán)隊(duì)在彈簧圈中部加裝了帶有齒輪結(jié)構(gòu)的藍(lán)色圓環(huán)，這種設(shè)計(jì)使得彈簧圈與圓環(huán)之間產(chǎn)生類似蝸輪蝸桿的配合關(guān)系，從而有效驅(qū)動機(jī)器人轉(zhuǎn)動。

該課題組成員、清華大學(xué)機(jī)械系一年級博士生馮思源解釋說道：“當(dāng)我們將 WHERE-Bot 放置在地面上時，翻轉(zhuǎn)的彈簧圈與地面之間存在摩擦力的交互，機(jī)器人會在地面上產(chǎn)生具有一定規(guī)律的運(yùn)動軌跡?！?/p>

研究人員對機(jī)器人的運(yùn)動特性進(jìn)行了理論分析和實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。他們建立了周期性運(yùn)動的數(shù)學(xué)模型，研究了重量分布對運(yùn)動參數(shù)的影響，包括移動方向、距離、自轉(zhuǎn)角以及公轉(zhuǎn)軌跡半徑等關(guān)鍵參數(shù)。

通過大量實(shí)驗(yàn)測量和視頻分析，驗(yàn)證了簡化運(yùn)動學(xué)模型的預(yù)測能力，雖然目前預(yù)測精度還有提升空間，但已能較好地反映機(jī)器人的運(yùn)動趨勢。

在環(huán)境適應(yīng)性測試中，WHERE-Bot 展現(xiàn)出了出色的環(huán)境交互能力：遇到平直障礙物時能沿邊界移動而不被卡??；在有邊界限制的環(huán)境中，可以從中心移動到邊界并沿邊界運(yùn)動，有效映射環(huán)境輪廓。

此外，他們在機(jī)器人設(shè)計(jì)中還加入了一個可改變質(zhì)量分布的配重裝置，由另一個電機(jī)驅(qū)動，可以沿輪轂滑動。這樣，通過改變配重在機(jī)器人上的方位，進(jìn)而調(diào)整機(jī)器人的前進(jìn)方向。

實(shí)驗(yàn)采用人眼觀察和手動遠(yuǎn)程控制相結(jié)合的方式，當(dāng)機(jī)器人偏離預(yù)設(shè)的白色軌跡時，操作人員可實(shí)時調(diào)整配重方位使其回歸正確路徑。

日前，相關(guān)論文以《WHERE-Bot：一種無輪螺旋環(huán)翻轉(zhuǎn)式全向移動機(jī)器人》（WHERE-Bot：a Wheel-less Helical-ring Everting Robot Capable of Omnidirectional Locomotion）為題發(fā)表在預(yù)印本網(wǎng)站arXiv[1]。

清華大學(xué)博士生馮思源是第一作者，李曙光副教授擔(dān)任通訊作者。

需要了解的是，由于當(dāng)前版本的機(jī)器人使用的彈簧圈是塑料制成的，因此在負(fù)載和耐用性能方面存在一定的局限性。

此論文第二作者、清華大學(xué)機(jī)械系本科生顏登烽展望了未來的研究計(jì)劃：“我們正在嘗試從多個方面進(jìn)行改進(jìn)：在材料方面，計(jì)劃采用更高強(qiáng)度的工程材料制作彈簧圈；在功能拓展方面，將探索機(jī)器人在水域、沙地等復(fù)雜環(huán)境中的運(yùn)動性能；在控制系統(tǒng)方面，將進(jìn)一步優(yōu)化轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，以提高滑環(huán)方向調(diào)整的靈活性。”

另一方面，研究人員還計(jì)劃將 AI 算法或相關(guān)技術(shù)與 WHERE-Bot 結(jié)合，以實(shí)現(xiàn)更自主的導(dǎo)航和控制等功能。

通過“軟硬結(jié)合”實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人運(yùn)動

李曙光課題組的重點(diǎn)研究方向是軟體機(jī)器人和集群機(jī)器人，其核心思想是將軟硬材料有機(jī)結(jié)合，并從簡單的機(jī)器人個體出發(fā)探索全局的復(fù)雜智能行為（DeepTech 此前報道：這位中國青年讓粒子機(jī)器人登上 Nature 封面；中國學(xué)者重新發(fā)明活塞，成果由 MIT、哈佛聯(lián)手完成）。

他們致力于“物理智能”這一前沿方向，重點(diǎn)關(guān)注如何直接利用材料特性和機(jī)械機(jī)構(gòu)的本體智能，或通過巧妙的設(shè)計(jì)來實(shí)現(xiàn)復(fù)雜的機(jī)器人系統(tǒng)。

在智能抓取領(lǐng)域，該團(tuán)隊(duì)提出了一種利用 AI 智能算法自動設(shè)計(jì)定制化軟體手爪的系統(tǒng)，并可通過 3D 打印實(shí)現(xiàn)低成本制造 [2]。這種定制化手爪尤其適用于工業(yè)產(chǎn)線應(yīng)用或有特定物體抓取需求的任務(wù)。

該系統(tǒng)首先根據(jù)目標(biāo)物體（如蘋果、香蕉等）的幾何特征自動生成初始手爪結(jié)構(gòu)，再基于物理仿真對抓取性能評估，并對手爪設(shè)計(jì)進(jìn)行迭代優(yōu)化，最后通過 3D 打印技術(shù)快速制作原型，以獲得針對特定任務(wù)的最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。

值得關(guān)注的是，該系統(tǒng)不僅能設(shè)計(jì)單一物體抓取手爪，還能生成可同時穩(wěn)定抓取多個異形物體（如蘋果和香蕉）的復(fù)合結(jié)構(gòu)，展現(xiàn)出卓越的環(huán)境適應(yīng)能力。

在運(yùn)動控制方面，該課題組成功研制出一種具有 10 條腿的氣動軟體機(jī)器人 [3]，其創(chuàng)新性主要體現(xiàn)：采用一種獨(dú)特的氣動軟傳動系統(tǒng)（R-BESTS），將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動直接轉(zhuǎn)化為機(jī)器人腿部的擺動，借助“物理智能”突破了傳統(tǒng)氣動機(jī)器人需要外接泵、閥和管道的限制。

此論文第一作者、清華大學(xué)機(jī)械系二年級博士生賀一鳴總結(jié)了該機(jī)器人的優(yōu)異性能：“單次充電可連續(xù)運(yùn)行 90 分鐘，能以 1.75cm/s（0.07 倍體長/秒）的速度直線行走，以 15cm（0.6 倍體長）的轉(zhuǎn)彎半徑進(jìn)行轉(zhuǎn)向，并可承載自身重量 70% 的負(fù)載，在多種復(fù)雜地形上展現(xiàn)出優(yōu)異的單電機(jī)驅(qū)動的全向運(yùn)動能力。”