在山地救援、矿山运输等复杂场景中，传统机器人常常“水土不服”：遇到斜坡会打滑，路面凹凸就“散架”。近日，清华大学机械工程系研发的多机器人协同运输系统（MRCTS）给出新解——给机器人装上6自由度“万向节”连接器，再配上“隐形指挥官”控制策略，让4台履带机器人像“变形金刚”一样协作，轻松搬运60公斤重物，在16度斜坡和碎石路上仍能稳定前行。这项发表在《Frontiers of Mechanical Engineering》的研究，让机器人在非结构化环境中“行走如飞”成为可能。

传统机器人的“山路困境”：刚性连接一碰就“摔跤”

“就像人穿皮鞋走泥路，鞋底太硬抓不住地。”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；要么依赖单个“领队”机器人指挥，一旦“领队”打滑，整个团队就“群龙无首”。2022年某露天矿运输测试中，因机器人无法适应20度斜坡，导致设备倾覆，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”。团队从猫爪和行军蚁中找灵感——猫爪肉垫能缓冲不平地面，行军蚁通过群体智慧而非单个 leader 完成复杂任务。

6自由度“关节”：像猫爪贴地，误差不超鸡蛋长

新系统的“秘密武器”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，靠负载重力就能自动调整。”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，通过滑动和旋转让机器人保持接地，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”。

在室内测试中，4台机器人抬着60公斤负载沿1.5米半径圆形轨迹行进，领导者跟踪误差≤0.05米（约一个鸡蛋的长度），跟随者位姿误差稳定在±0.1米内，如同“踩着刀尖跳芭蕾”。

隐形指挥官：4台机器人“心有灵犀”，不看领队看目标

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 带路，其他机器人跟着跑，一旦 leader 打滑就“全军覆没”。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：16度斜坡照走不误，成本降60%更亲民

在模拟野外碎石路的测试中，路面起伏导致连接器X/Y轴角度最大变化达0.275 rad和0.292 rad，但机器人团队仍能完成前进、后退、原地旋转等动作，负载始终未滑落。“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。

不过，系统仍有提升空间：极端地形下连接器可能响应滞后，未来计划加装小型电机提升主动适应能力；目前未测试多障碍物动态环境，下一步将融入避障算法。

来源: FME机械工程前沿