可折叠软体腿辅助轮式机器人（FoSLAW）：软体折叠结构赋能腿轮混合系统的创新设计与多模态运动研究

本综述提出并验证了一种集成可折叠软体腿（FoLA）的轮式机器人（FoSLAW），通过模块化折叠结构（FoM）实现大变形与高驱动力，显著提升了机器人在平坦路面（轮式模式）及复杂地形（辅助模式）下的适应性与越障能力。研究系统分析了FoM的力学性能（如恢复力、定向弯曲），开发了混合运动机制，并拓展了其在监测（折叠机械臂）与抓取（折叠夹持器）中的应用，为软体腿轮机器人的设计提供了创新范式。

　　

1 引言

移动机器人在执行灾难搜救、恶劣环境勘探及工业服务等任务时，其功能受限于运动方式。轮式机器人虽在平坦表面高效高速，但应对大障碍与粗糙地形能力不足；履带机器人适于崎岖地形却存在速度低、能耗高及振动大等问题；腿式机器人模仿生物运动，在复杂环境中表现优异，但通常结构复杂、速度慢且能效低。为克服单一运动模式的局限，集成轮与腿优势的腿轮混合系统应运而生。其中，可伸缩腿通过收放减小空间占用并快速响应地形变化，但存在控制复杂、重量增加及机械设计挑战。

近年来，软体机器人利用其材料柔顺性、大形变能力及简单控制，为机械腿设计提供了新思路。特别是可折叠结构，能通过预设折痕将二维片材转化为复杂三维形态，实现大幅应变与体积最小化，其产生的恢复力可被用于轻量化高输出驱动。本研究受波纹管设计启发，提出一种基于可折叠模块（Foldable Module, FoM）的软体腿助手（Foldable Leg Assistant, FoLA），并将其集成于轮式机器人，构建可折叠软体腿辅助轮式机器人（Foldable Soft Leg-Assisted Wheel robot, FoSLAW），以增强其在多样环境中的运动能力与功能多样性。

2 结果

2.1 可折叠模块（FoM）

FoM由两层四铰链构成，其机械性能由图案与基材决定。铰链长度L与层厚t_f需满足L/(t_f/2) ≥ π。有限元分析（FEA）模拟显示，随铰链长度增加，FoM位移增大但恢复力斜率降低，权衡后选定L=10π。实验测得多层级FoM（如5级）恢复力最高达35 N，最大位移65 mm，且与模拟结果吻合。定向弯曲测试中，偏心载荷使FoM产生不对称构型，5级FoM最大弯曲角73°，恢复力4.5 N。模拟还展示了FoM在线性收缩与定向弯曲下的尖端轨迹，收缩时速度恒定（21 mm s^?1），弯曲时因铰链干涉呈非线性（最高85 mm s^?1）。

2.2 可折叠腿助手（FoLA）

FoLA由5级FoM与双电机-线缆系统构成。同步收放线缆实现线性伸缩，选择性收放则实现弯曲。循环测试表明，FoLA在0.6–1.2 Hz频率下线性位移（56–58 mm）与弯曲角（55°–58°）稳定可靠。阻塞力测试中，线性应变下阻塞力迅速上升（激活时间≈20 ms），弯曲时随角度增大至66°而增加。FoLA在250 g载荷（FoM重量125%）下位移显著，超300 g时因弹性屈曲位移减半。

2.3 可折叠软体腿辅助轮式机器人（FoSLAW）

FoSLAW由四轮机器人主体与四套FoLA对称布置而成。通过独立控制八台FoM电机，机器人可实现俯仰（前后FoLA差动）、侧倾（左右FoLA差动）及整体抬升。实验测得最大倾斜角及抬升高度（体高23%），与基于动态模型的预测一致（误差<4%）。FoSLAW具备多模态运动：轮式模式下收拢FoLA，在平坦路面高效移动（能效0.21，附加重量影响小）；辅助模式下展开FoLA调整姿态，克服突破角限制（如73°凸起地形）。混合运动机制使机器人能通过FoLA与车轮协同完成平台步进（10 mm高，成功率90%，耗时31.1 s，CoT=10.82，η_p=0.18）及非结构化环境穿越（如砾石与绳索地形，成功率85%–90%）。与传统腿轮机器人、可伸缩腿机器人及软体折叠机器人相比，FoSLAW在尺寸、重量及越障类型上取得平衡。

2.4 FoM的应用拓展

利用FoM的堆叠性与变形能力，开发了折叠机械臂（15级FoM）与折叠夹持器（三指120°布置）。机械臂搭载相机，使FoSLAW能监测地下排水管等设施（巡逻模式）；夹持器通过尖端聚集（面积由117.77 cm²减至12.65 cm²）自适应抓取不同形状与重量物体（如97.5 g面包至266.0 g胶带），展现作为通用夹持器的潜力。

3 结论

本研究通过可折叠软体腿（FoLA）的设计，为腿轮机器人提供了新型软体腿解决方案。基于FoM的模块化设计，系统表征了其力学性能，并开发了结合软腿与刚性轮的混合运动机制，使FoSLAW能适应多种障碍环境。FoLA的阻塞力与大幅变形支持了车轮离地与新运动技术（如步进、攀爬）。拓展的机械臂与夹持器应用进一步增强了功能多样性。未来工作将集成IMU传感器实现闭环控制，并探索线缆驱动的机械智能提升操作灵巧性。

4 实验部分

FoM由激光切割亚克力层芯、层盖及SBR橡胶铰链组装而成。FoLA集成FoM与电机-线缆系统。FoSLAW以亚克力为主体，独立轮驱，FoLA置于顶部避免运动干涉。控制通过OpenCR主控制器及OpenRB嵌入式控制器实现，支持轮式与辅助模式切换。实验采用力测试机、数字相机及运动分析软件进行数据采集与处理，跟踪点用于位移与角度测量。