小型厘米級機器人，可在工業設施、天然洞穴、災難廢墟等狹小縫隙自由穿行，執行那些大型機器人難以觸及的檢查和探索任務。同時，由于使用更廉價的材料且用量少，小型厘米級機器人在大規模部署時展現出經濟高效的特性。憑借這些獨特優勢，小型厘米級機器人正在機器人領域逐漸嶄露頭角。

UC Berkeley研發全球最小可控無線飛行機器人

但與此同時，小型機器人也正在面臨硬件限制的挑戰。受尺寸的限制，小型機器人通常缺乏足夠的感知、驅動和控制資源，難以在運動過程中提供主動動態穩定性。執行器數量、功率密度和精度的限制直接導致機器人穩定性和機動性的不足。此外，在非平坦地形上，小型機器人難以有效且高效地移動，這進一步限制了它們的應用范圍。

在提升機器人穩定性和機動性的設計思路中，多足設計雖在一定程度上發揮了作用，但同時也帶來了復雜性和占用空間的問題。相比之下，雙足機器人雖然設計更為簡潔，但在小型化過程中卻面臨更大的挑戰。如何在保持雙足行走特性的同時，實現機器人的小型化、穩定性和高效性，成為了當前亟待解決的問題。

▍身高僅3.6cm，推出最小獨立式雙足步行機器人Zippy

在人形機器人設計領域，雙足機器人因其與人類相似的行走方式而備受關注。然而，傳統的雙足機器人設計通常需要大量的執行器、高精度傳感器和復雜機構，這使得它們難以在小型化過程中保持高效和穩定。被動動態步行器（PDW）的出現為研究人員提供了新的思路。PDW利用機器人的被動動力學特性，在無需任何驅動的情況下實現周期性行走循環

受此啟發，卡內基梅隆大學機器人力學實驗室的研究團隊提出了身高僅3.6厘米的準被動雙足步行機器人Zippy。這也是目前最小的獨立式雙足步行機器人。與卡內基梅隆大學此前推出的全球首個單驅雙足機器人Mugatu類似，Zippy有圓形的腳和一個臀部的無反饋控制的單電機，但尺寸卻大幅縮小。

在小型機器人領域，動態穩定性的挑戰本就巨大，而Zippy成功克服了這一難題，成為獨立式小型機器人中唯一的雙足機器人。它不僅能被動站立無需驅動，還具備轉彎、跳躍和上臺階等多種能力。在速度方面，Zippy最快前進速度可達25厘米/秒，相當于每秒10個腿長，這一速度使其成為相對于其腿長（或非直腿機器人的臀部高度）最快的自主雙足機器人，與此前4.1Cassie保持的每秒腿長記錄相當。

研究過程中，研究團隊還提出了一種“跳躍步態”，其短暫的騰空階段可以增加擺動腿的間隙，這使得團隊能夠重新審視現有的設計規則，并對大型準被動步行器進行改造，以提高其速度和穩定性。為了評估機器人的轉彎能力、在不平坦地形上的表現以及能源效率，研究團隊還進行了實驗測試，以檢驗Zippy作為小型運動平臺執行檢查或搜索救援等重要任務的可行性。實驗結果表明，Zippy具備出色的能源效率和地形適應性，能夠在不平坦的地形上穩定行走。

據卡內基梅隆大學機器人力學實驗室透露，該研究成果將在2025年IEEE國際機器人與自動化會議上正式發表。那么，Zippy機器人具體是如何實現的呢？接下來，和機器人大講堂一同深入了解~

▍探秘Zippy背后，最小獨立式雙足步行機器人如何設計與制作？

Zippy機器人的設計并非憑空而來，它以最簡單的步行機器人Mugatu為基礎。Mugatu作為只有一個執行器的雙足步行機器人，其五條設計規則為Zippy的初始設計提供了關鍵指引：重心必須位于腳部半徑的曲率中心下方；臀部的垂直位置必須位于腳半徑的曲率中心上方；在矢狀面上，髖軸的位置一定位于重心后方；兩腳之間必須有一個橫向間隙，曲率切線在地板上；施加的扭矩和慣性必須足以克服啟動時的摩擦。這些規則為Zippy的設計奠定了理論基礎，確保了其在后續研發過程中的穩定性和可行性。

全球首個單驅雙足機器人Mugatu

在硬件設計方面，Zippy由兩個剛性身體組成，每個身體包含一條腿、一個彎曲的腳和一個手臂，這些部件均通過3D打印技術制成，并在臀部由一個單開環直流電機連接。這種設計不僅簡化了機器人的結構，還降低了制造成本。在動力供應方面，Zippy使用微控制器板通過H橋驅動電機，由鋰聚合物電池供電，為機器人的運動提供了穩定的能量來源。此外，模塊化緊固件充當手臂上的平衡重量，能夠有效抵消偏航力矩，并提高抬起前進腿的能力。為了增強機器人的行走穩定性，研究團隊還在腳底粘貼了膠帶，以提高摩擦系數，避免因摩擦力不足而出現粘滑現象，或因摩擦力過大導致能量損失過多而原地踏步。

值得一提的是，彎曲的腳部是Zippy實現被動穩定性的關鍵設計。足部在額葉和矢狀面的曲率對步態生成有著極大影響，研究團隊為此評估了兩種足部形狀。最初，他們等距縮放了Mugatu的球形足部，但在測試中發現，這種設計因過度滾動和俯仰導致機器人行走不穩定。隨后，團隊將腳部修改為橢圓形輪廓，降低了矢狀面的足部曲率，并將橢圓體中心提升至臀部高度。通過對比機器人身體在運動過程中的滾動和俯仰幅度，研究團隊最終證明了橢圓形足部設計的優越性，為Zippy的穩定行走提供了有力保障。

在控制方面，小型機器人執行器尺寸縮小帶來了精確電機控制的難題。這不僅要求將所需的傳感元件集成到緊湊的平臺上，還需應對小尺寸下更高頻的干擾問題。與大多數被動動態行走機器人采用設定電機位置設定點作為驅動信號，并通過伺服比例-微分（PD）控制確保關節軌跡準確跟蹤的方式不同，在研究團隊設計的行走機器人尺寸下，由于小型電機-編碼器組件設計難度較大，閉環伺服控制的實施變得極為棘手。

鑒于此，研究團隊最終為Zippy采用了開環控制策略來調控機器人的步態，并輔以物理硬限位裝置來嚴格限制其運動范圍。具體實現上，研究團隊將方波電壓施加于髖關節電機，通過調節方波的振幅、頻率和直流偏移量來控制機器人前行速度與轉彎半徑，并利用藍牙遠程傳輸波形參數啟動機器人。硬限位裝置在這一過程中起到了至關重要的作用，它確保髖關節在預定范圍內運動，避免了電機頻繁正反轉帶來的不穩定和能耗增加，有效提高了機器人行走的穩定性和效率。

▍進行實驗測試，評估最小獨立式雙足步行機器人Zippy行走性能

為了評估Zippy的行走性能，研究團隊設計了嚴格的實驗設置。通過部署高速攝像頭同步采集矢狀面與冠狀面視角數據，團隊量化分析了機器人在不同驅動參數下的側傾與俯仰振蕩幅度。此外，團隊還通過調整電壓振幅和步頻組合，進一步探究驅動參數對運動效能的影響。

行走性能評估圍繞前進速度、轉向能力和地形適應性三大核心指標展開。

在前進速度測試中，研究團隊通過調整電壓振幅（1.75V-3.2V）與步頻（2.5Hz-12.5Hz）組合，深入探究驅動參數對運動效能的作用機制。

機器人的行走速度與電機電壓幅度和頻率的關系?！癤”表示在施加相同驅動信號的情況下，機器人仍隨機轉彎的試驗。0厘米/秒步行速度對應于機器人無法前進的試驗。

實驗結果顯示，Zippy的最高速度可達25cm/s（3.2V振幅，8.3Hz頻率）。在3.1Hz-8.3Hz區間內，步頻與電壓呈正相關關系，但當驅動頻率與機器人自然動力學失配時，會導致步態混亂。

矢狀面（俯仰）和額狀面（滾動）振動幅度：（A）縮放 Mugatu 行走在11厘米/秒，（B）Zippy 步行11 厘米/秒和 (C) Zippy 行走在二十五 厘米/秒。

值得關注的是，在高頻運動（8.3Hz）下，硬限位撞擊會觸發短暫騰空階段，形成跳躍步態，這一獨特步態顯著提升了機器人的推進效率。

Zippy穿越的關鍵正面畫面二十五厘米/秒當擺動腿撞擊硬停時，顯示短暫的空中階段

轉向能力測試環節，研究團隊在2.6V振幅、3.7Hz頻率基礎波形上疊加±0.6V直流偏移量，測試七組偏移參數對轉向半徑的影響。通過最小二乘圓擬合算法提取軌跡曲率，實現了對轉向性能的量化評估。實驗表明，通過調整直流偏移量改變步長，Zippy能夠實現可控轉向，且最小可實現4.8cm曲率半徑的急轉彎，左右轉向性能對稱，展現出良好的轉向靈活性。

當提供不同的命令電壓波形附加直流偏移量時，不同曲率半徑下的機器人平均轉彎軌跡（每個轉彎半徑進行3 次試驗）

地形適應性測試是此次評估的重點之一。Zippy需要在3D打印臺階（1mm-3mm）與隨機分布棱柱地形（5.3mm邊長，16mm平均高度）中，驗證通過開環控制實現穩定運動的能力。數據采集系統采用固定安裝的iPhone14Pro攝像頭，利用物體識別算法提取運動軌跡。為確保實驗數據的準確性，實驗前確保電池滿充，視頻錄制與機器人啟動嚴格同步，有效消除了初始狀態誤差。最終，Zippy成功跨越2mm臺階（腿長8%）并穩定下行3mm臺階（腿長12%），在隨機棱柱地形中平均速度達16.7cm/s，且未發生傾倒。這一結果表明，其橢圓形腳部設計有效限制了前后搖晃，顯著提升了機器人在復雜地形中的通過能力。

（A）機器人成功走上臺階高度為2 毫米（B）走下臺階高度為3 毫米同時保持穩定。

機器人成功行走的關鍵幀20厘米隨機障礙地形（5.3 毫米經過5.3 毫米高度標準差為2.5 毫米） 在1.2 秒。

針對小型機器人能源受限的特性，研究團隊采用運輸成本（CoT）指標量化能量效率。在18.5cm/s速度下，Zippy的最低CoT值為11.2。同時，降低驅動頻率與電壓會導致CoT顯著上升。全速運行測試表明，機器人可持續工作54分鐘，充分驗證了其設計的高效性。

▍關于未來

Zippy的出現，為小型機器人的設計與制造開辟了全新的思路。它證明了通過縮小被動動態步行原理的應用規模，能夠打造出緊湊、靈活且具備穩定運動能力的機器人。這一成果對于在狹窄或危險環境中執行任務具有重要潛在價值，有望為相關領域帶來新的突破。

當然，Zippy也存在一些局限性。由于采用開環控制策略，缺乏傳感器反饋控制，Zippy更容易受到偏航角干擾的影響，需要精確的參數調整才能實現直線行走。并且雖然Zippy能夠應對小步幅和不平坦的地形，但在遇到更大障礙物等更具挑戰性的環境時，其性能會有所下降。

展望未來，研究團隊已制定了明確的改進計劃。他們計劃利用機器人上現有的慣性測量單元（IMU）作為微控制器板的一部分，集成閉環反饋。通過來自IMU的數據，實現實時步態調整，從而提高轉彎穩定性和抗干擾能力。此外，集成微控制器攝像頭附件可實現基于視覺的導航和離線路徑規劃。憑借這些定位功能，多個Zippy機器人可以并行部署，協同組成蜂群，在狹窄或危險的環境中執行巡檢和搜救任務。我們有理由相信，在不斷的研究與改進下，以Zippy為代表的小型雙足機器人將在未來的機器人領域中發揮越來越重要的作用，為更多行業帶來創新性的解決方案。

參考文章：

https://arxiv.org/html/2505.05686v1