侧向摆动与身体柔顺性助力蛇及蛇形机器人稳定穿越大型光滑障碍

蛇几乎能穿越任何地形。类似地，蛇形机器人有望成为穿越地震废墟等复杂环境的通用平台。与 inherently 稳定的平面蛇运动不同，当蛇通过身体离面变形穿越复杂地形时，维持稳定性变得困难。在此，我们综述了近期在理解蛇及蛇形机器人如何穿越缺乏抓附或支撑锚点的大型光滑障碍方面的进展。首先，我们发现广布型王蛇结合侧向摆动与悬臂式运动。无论台阶高度与表面摩擦如何，整体步态得以保持。接着，为量化蛇的静态稳定性，我们开发了一种在离散追踪标记间插值三维连续身体（位置与朝向）的方法。借助插值连续身体三维运动学分析支撑基底，我们发现蛇在穿越期间保持了完美稳定性，即便在最具挑战性的低摩擦高台阶上亦然。最后，我们将该步态应用于蛇形机器人，并系统测试其穿越不同高度大台阶的性能，以进一步理解稳定性原理。机器人快速且稳定地穿越了接近其体长三分之一的台阶。随台阶增高，机器人滚动愈发频繁乃至翻覆，降低了穿越概率。蛇因身体柔顺而无此类失效，这启发我们为机器人增加身体柔顺性。凭借更佳表面接触，柔顺身体机器人滚动失稳减少，并以更高概率穿越高台阶，且不牺牲穿越速度。我们的机器人比多数既往蛇形机器人更快速地穿越大型台阶状障碍，接近该动物的水平。