[论文解读] A Multi-modal Deformable Land-air Robot for Complex Environments
该论文提出了一种具备自动可变形臂的首台陆空机器人，可实现飞行与驾驶模式之间的无缝、节能切换。通过集成轻量化可折叠结构与优化的能效管理，该机器人在驾驶模式下的地面投影面积缩小了79%，且相比飞行模式，驱动功耗降低了54.75%，展现出在复杂环境中卓越的双模式移动能力与稳健性能。
Single locomotion robots often struggle to adapt in highly variable or uncertain environments, especially in emergencies. In this paper, a multi-modal deformable robot is introduced that can both fly and drive. Compatibility issues with multi-modal locomotive fusion for this hybrid land-air robot are solved using proposed design conceptions, including power settings, energy selection, and designs of deformable structure. The robot can also automatically transform between land and air modes during 3D planning and tracking. Meanwhile, we proposed a algorithms for evaluation the performance of land-air robots. A series of comparisons and experiments were conducted to demonstrate the robustness and reliability of the proposed structure in complex field environments.
研究动机与目标
- 为解决在单一机器人中集成飞行与驾驶能力而不损害性能的挑战。
- 解决混合式陆空机器人在多模态移动融合中的兼容性问题。
- 开发一种机电一体化设计，通过可变形结构与优化的能效设置，同时提升飞行与地面移动性能。
- 利用定量多参数框架，全面评估机器人在飞行、驾驶及模式切换中的综合性能。
- 通过实地实验，展示其在真实复杂环境中的鲁棒性与适应性。
提出的方法
- 提出一种通用的机电一体化设计概念，整合能效设置、能量选择、轻量化结构与可变形结构，实现双模式运行。
- 设计了一种自动可变形机械臂机构，可在驾驶模式下折叠螺旋桨，使投影面积减少79%，同时在飞行模式下保持高推力。
- 实施一种运动控制策略，将三维路径规划与跟踪逻辑映射至机电系统，实现无缝模式切换。
- 应用最小-最大归一化方法，对不同机器人在飞行、驾驶与续航能力方面的性能指标进行标准化，确保评估公平性。
- 开发了基于加权指标的综合评估框架，涵盖飞行能力（$F_e$）、驾驶能力（$G_e$）、模式切换时间（$T_s$）与续航能力（$D_e$）。
- 在水泥路面、户外场地及室内环境中开展实验，验证其在真实条件下的性能表现。
实验结果
研究问题
- RQ1如何使陆空机器人在不损害任一能力的前提下，同时实现强劲的飞行与地面移动性能？
- RQ2哪些设计原则可实现单一平台在飞行与驾驶模式之间无缝且可靠的切换？
- RQ3与固定几何结构的机器人相比，具备自动臂折叠功能的可变形结构如何提升复杂环境下的性能表现？
- RQ4地面投影面积的减小对狭窄空间内障碍物跨越与机动性有何影响？
- RQ5如何对陆空机器人的多模式运动性能进行定量综合评估？
主要发现
- 机器人从飞行模式切换至驾驶模式时，垂直投影面积减少了79%，显著提升了其在狭窄走廊中导航的能力。
- 驾驶模式下的功耗测量值为2840 W，相比飞行模式的6276 W降低了54.75%。
- 在评估框架中，该机器人展现出优于现有陆空机器人的综合飞行性能（$F_e$）与驾驶性能（$G_e$）。
- 模式切换时间已被记录，但与部分先进系统相比仍显偏慢。
- 该机器人在综合续航指数（$D_e$）上得分高于多个同类系统，表明其在两种模式下均具备出色的续航能力。
- 在水泥路面、户外场地及室内环境中的实验验证，确认了该机器人在多样化复杂环境中的鲁棒性与可靠性。
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本解读由 AI 生成，并经人工编辑审核。