北理工团队借鉴蝗虫跃翔一体特性 制出陆空跨域的微小仿生机器人

自然界中，多种昆虫（如蝗虫、瓢虫、蝉等）为躲避天敌的捕食，在爬行的基础上进化出了跳跃、甚至是飞翔能力，以此躲避天敌的捕食。在它们之中，蝗虫拥有最多的运动模态且可以实现陆空模态的自由转换，展现出极强的环境适应能力。

受到蝗虫这一生物特性的启发，微小型机器人可通过跳跃大幅提升越障能力和机动性，在跳跃的基础上继续滑翔将进一步扩大机器人的移动范围并提升能量利用效率。为此，研究人员基于不同的驱动策略研发了包括EFPL Jumpglider、MultiMo-Bat在内的多种跳跃-滑翔机器人。然而，受限于自身尺寸和驱动器数量，微小型多模态机器人难以复刻蝗虫高能效的跳跃-滑翔运动及其连续陆空跨域能力，且如何保证机器人模态转换时的稳定性也面临巨大挑战。

近日北京理工大学石青教授团队在微小型仿生陆空跨域机器人方面获得了重要进展，该团队研制了一款模仿蝗虫多模态运动的机器人（LocustBot），在30cm尺度下融合了爬行、跳跃、滑翔三种运动模态，并通过联合弹簧驱动的被动跳跃与螺旋桨驱动的主动滑翔实现了模态间的自然切换，大幅提升了微小型机器人的能量利用效率以及对于复杂地形的适应能力。

目前该成果已以“A Locust-inspired Robot Capable of Continuous Crawl-jump-gliding Locomotion with Optimized Transitional Control”已在IEEE Transactions on Robotics期刊发表。北京理工大学机电学院石青教授为论文通讯作者，机电学院博士生许毅为论文第一作者，相关研究工作得到了国家自然科学基金联合基金重点项目的支持。

一、仿生结构映射

1）基于翼-腿协同驱动的跃翔一体机构设计

为实现机器人陆域到空域的灵活切换，团队采用了轻量化的跳跃-滑翔结构设计方案。借鉴蝗虫后胸足的腿足骨骼肌肉模型，团队基于斯蒂芬森六杆机构设计了高爆发被动弹性跳跃腿；基于蝗虫的气动外型，LocustBot采用了主-副翼的布局形式，并通过前置螺旋桨提供滑翔动力。最为重要的，团队首创了翼-腿协同驱动策略，通过单一丝杠电机的往复运动，同时实现了跳跃腿的伸展-收缩与滑翔翼的折叠-张开。

2）基于变曲率轮足的爬行模块设计

蝗虫的中腿和前腿常用于爬行、支撑、跳跃姿态调整以及落地缓冲，受此启发，团队构建LocustBot的爬行模块时选用了一对轮足结构和缓冲减震器。特别地，轮足选用了变曲率的凸轮外廓，通过两个电机的同步旋转即可实现前行和发射角度的调整，通过差速旋转实现原地转向。

二、多模态运动控制

通过串联LocustBot各模态过渡时的位置与姿态，团队实现了爬行、跳跃与滑翔三种运动模态的融合，并构建了多模态一体化控制器。为实现机器人稳定的远距离滑翔运动，团队基于LocustBot的气动特性，选取了机器人滞空阶段升阻比最大的攻角为优化目标，采用TD3强化学习算法对展翅时机、油门开度和俯仰舵面偏置等连续动作空间问题展开优化，规划了不同发射角度下的最优跳跃-滑翔动作策略。

三、实验结果

1）纯跳跃实验

团队在LocustBot的后腿与身体连接处构建了弹性被动旋转关节，在与前置螺旋桨的配合下大幅抑制了机器人跳跃时的后翻力矩，实现了稳定的滞空姿态。此外，在50度的发射角度下，机器人的最大跳跃高度可达70cm。

2）跳跃-滑翔实验

LocustBot通过“腿部收缩-翅翼折叠-联合触发”三个步骤实现了一个完整的动作循环。经测试，以20°的角度发射，机器人在0.8m的落差下最远移动距离可达5.39m，跃翔比（定义为横向移动距离与竖直下降高度之比）高达4.74，单位距离的能量消耗（CoT）仅为1.87，由此证明了被动跳跃与主动滑翔相结合的优越性。

3）野外环境适应性测试

在野外非结构化地形中，LocustBot采用连续爬行-跳跃-滑翔的多模态融合运动策略进行移动。经测试，机器人实现了6次完整的运动循环，通过爬行进行地面姿态的调整，采用跳跃的方式克服不平整路面，并在跳跃的基础上继续展翅滑翔来增加移动距离，展现出良好的野外适应能力。

论文下载地址：

https://ieeexplore.ieee.org/stamp/stamp.jsp?tp=&arnumber=10758220