协调的附肢积累更多能量以在地面实现自主翻身

动物与机器人在地面上翻倒后必须自主翻身。 Discoid 蟑螂推动其翅膀抵住地面，试图通过空翻来动态自主翻身。然而，由于这一动作费力，该动物常未能克服势能壁垒而不断尝试。在此过程中，动物胡乱摆动其腿，其侧向扰动最终使它向一侧滚动从而自主翻身。我们此前的工作开发了一种受蟑螂启发的、具备腿辅助 winged 自主翻身能力的机器人，且一项机器人仿真研究揭示该策略的结果敏感依赖于翼腿协调（由其运动间相位度量）。此处，我们通过建立一个模板来进一步阐明其原因，以建模由不连续接触与驱动所致的复杂混合动力学。我们利用该模板计算了身体为自主翻身必须克服的势能壁垒、翅膀推地与腿摆动的机械能贡献，以及因翼地碰撞导致的机械能耗散。该模板揭示，翼腿协调（相位）通过改变机械能收支强烈影响翻身结果。协调良好的附肢运动（良好相位）比协调不佳的运动（不良相位）积累更多机械能，从而更好地克服势能壁垒以更成功地自主翻身。最后，我们展示了该模板在预测一种新控制策略以进一步提升自主翻身性能及指导机器人设计方面的实际用途。