灾后废墟、山地农场、矿山工地——这些地形复杂的场景里，传统运输机器人常常“水土不服”：要么被碎石卡住履带，要么因路面倾斜导致负载滑落。近日，清华大学机械工程系刘辛军团队研发的多机器人协同运输系统（MRCTS），给机器人装上“万向节”连接器和“隐形指挥官”，让4台履带机器人能像“变形金刚”一样协同搬运60公斤重物，在±0.292弧度的倾斜路面上仍能稳定前行。这项发表在《Frontiers of Mechanical Engineering》的研究，为复杂地形运输提供了新方案。

传统机器人的“摔跤”烦恼：刚性连接遇上坑洼就“散架”

“就像人挑扁担走山路，扁担太硬会硌肩，太软又使不上力。”论文通讯作者刘辛军教授解释，传统多机器人运输系统要么用刚性杆连接，遇到高低差就“硬碰硬”导致机器人离地；要么靠无线通信同步运动，稍有信号延迟就“群龙无首”。2021年某山地救援中，因机器人无法适应30度斜坡，延误了物资送达时间，这让团队决心突破地形适应性瓶颈。

核心难题有两个：一是机械结构如何“柔性”贴合地形，二是控制策略如何避免“一错全错”。团队从人体肩关节和行军蚁协作中找灵感——前者靠多关节实现灵活转动，后者通过群体智慧而非单个 leader 完成复杂任务。

给机器人装“万向节”：6自由度连接器像“猫爪”贴地

新系统的“秘密武器”之一，是每个机器人与负载间的6自由度被动自适应连接器。这个巴掌大的装置藏着“3滑+1转”的精巧结构：3个正交滑动模块（X/Y/Z轴）允许上下左右平移，1个球形关节实现360度旋转，组合起来就像“机器人的万向节手腕”，能被动适应路面高低差、侧倾和俯仰变化。

“它不需要电机驱动，靠负载重力和路面反力就能自动调整。”论文第一作者刘权博士演示，当一侧履带遇到10厘米高的石块，连接器会像“猫爪踩软垫”一样，通过X轴滑动+旋转关节让机器人保持接地，最大可调整±0.292弧度（约16.7度）的角度偏差。内置的6个传感器还能实时“汇报”位姿，替代传统依赖GPS的复杂定位系统，就像“机器人自带触觉神经”。

隐形指挥官策略：4台机器人跟着“虚拟队长”行动

光有灵活的“关节”还不够，机器人团队还需要“默契配合”。传统方案中，1台 leader 机器人带路，其他 follower 跟着跑，一旦 leader 打滑，整个队伍就“瘫痪”。新系统则引入“虚拟领导者”——把运输目标抽象成一个“隐形队长”，4台机器人都是“执行者”，通过双闭环控制算法同步行动。

“就像拔河时大家不用看某个人，而是盯着绳子中心的标记用力。”刘权解释，outer loop 控制“隐形队长”的轨迹，inner loop 让每台机器人根据连接器传感器数据调整姿态。遇到突发情况，比如某台机器人履带卡滞，系统会自动分配其他机器人“补位”，轮速波动控制在0.2m/s以内，避免“连锁反应”。

实验验证：5厘米误差内“跳圆圈舞”，坑洼路面稳如平地

在清华大学摩擦学国家重点实验室的测试中，4台机器人抬着60公斤模拟救援物资，完成了两项挑战：

• 室内“圆圈舞”：沿1.5米半径的圆形轨迹行进，leader 机器人跟踪误差≤0.05米（约一个鸡蛋的长度），follower 机器人姿态误差稳定在±0.1米内，就像“踩着刀尖跳芭蕾”。
• 户外“山地考验”：在模拟碎石路（最大坡度16.7度）上前进、后退、原地旋转，连接器X/Y轴角度变化达0.275和0.292弧度，负载始终未滑落，验证了“猫爪贴地”效果。

“最关键的是成本可控。”刘辛军补充，被动连接器无需电机，比主动驱动方案成本降低60%；分布式控制减少了对5G信号的依赖，偏远山区也能部署。

未来方向：从“货运”到“救灾”，仍需攻克极端地形

这项技术未来可用于灾后废墟物资运输、山地光伏板安装等场景，但也有局限：连接器依赖弹簧恢复力，在超过30度的极端斜坡可能响应滞后；目前仅测试4台机器人协同，更大规模团队的协作稳定性待验证。团队下一步计划给连接器加装小型电机，提升主动适应能力，并探索与无人机的空地协同。

来源: FME机械工程前沿