论文标题：Mechanism Design and Motion Planning of a Hexapod Curling Robot Exhibited During the Beijing 2022 Winter Olympics Games

期刊：Engineering

DOI：https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.018

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在 2022 年北京冬奥会上，上海交通大学高岳副教授（电子信息与电气工程学院）与高峰教授（机械系统与振动全国重点实验室）团队研发的六足冰壶机器人备受瞩目。这款融合仿生机械设计与智能控制技术的 “冰上选手”，其核心成果以“Mechanism Design and Motion Planning of a Hexapod Curling Robot Exhibited During the Beijing 2022 Winter Olympics Games”（北京 2022 年冬奥会六足冰壶机器人的机构设计与运动规划）为题，发表于中国工程院院刊《Engineering》，深度解析了机器人技术在冬季运动中的创新实践。

一、仿生机构设计：从人类动作到机械结构的精准复现

这款六足冰壶机器人重 75 公斤，体长 0.6 米，采用独特的腿部模块化设计，可实现行走与投掷两种模式的平滑切换。其前腿和中间腿小腿长度为 0.3 米，后腿延长至 0.5 米以增强踢击动能，21 个电机分布于髋部、膝盖和身体，分别驱动腿部运动、冰壶旋转和机械臂动作。

图1. 六足步行机器人。

机器人的核心设计灵感源于人类投掷冰壶的动作链：后腿模拟橡胶鞋提供反作用力踢击起滑架，前腿通过驱动轮与从动轮形成四边形包络抓取冰壶，并通过塑料圆柱体支撑机身。中间腿则配备塑料圆盘，在滑行阶段提供低摩擦支撑，投掷结束后切换为橡胶脚尖实现快速制动。这种多功能腿部设计，使得机器人既能以 3-3 步态稳定行走，又能在投掷时通过形态变换（如中间腿从 L 形到反 L 形的切换）调整质心，确保动作连贯性。

二、运动规划与建模：多阶段动态控制的科学解析

科研团队建立了三阶段运动模型以精准预测冰壶轨迹：

瞄准建模：通过激光雷达与摄像头组成的视觉系统定位目标，机器人绕后腿中心点旋转调整方向，旋转角度 θ_c 通过坐标变换公式计算，确保瞄准精度。

组合系统动力学建模：在踢击加速（阶段 1）、摩擦滑行（阶段 2）、推击分离（阶段 3）过程中，采用七阶多项式插值生成实时位置，结合能量守恒方程计算机器人与冰壶的速度变化。关键参数如踢速 v_k、推速 v_p 通过等效摩擦系数 μ_equ（初始值 0.01）和前后摩擦比 e（初始值 30）确定。

冰壶滑行建模：提出 “前后摩擦不对称模型”，将冰壶分为前后两部分，假设质量集中于滑行带交点，通过摩擦系数比 e 和等效摩擦系数 μ_equ 解析侧向与前进加速度，成功模拟冰壶旋转引发的横向偏移现象。

图2. 投掷冰壶循环:机器人在六足状态下寻找起滑架,在四足状态下投掷冰壶。

三、实验验证：从模拟收敛到人机竞技的性能评估

在模拟实验中，五组投掷任务的误差通过 PI 控制器逐步收敛：初始估计偏差下，误差从 3.6 米快速降至 0.7 米，最终稳定在 0.2 米。实验阶段，机器人在冰面完成行走 - 投掷循环，通过反馈控制将实际误差收敛至 1.105 米，接近轮椅冰壶运动员的水平（约 1 米）。

图3. 冰壶投掷场景?(a)两名健全运动员正在投掷,其中一名运动员与冰壶一起滑动,另一名运动员则准备用冰刷清扫冰面;(b)两名轮椅运动员 正在投掷,其中一名运动员用细杆推动冰壶,另一名运动员则瞄准目标;(c)六足冰壶机器人准备投掷。

人机竞赛环节中，机器人与健全运动员、轮椅运动员分别对战。尽管因缺乏冰面擦拭环节输给健全运动员，但凭借稳定的投掷精度以 1 分优势战胜轮椅运动员。实验数据显示，机器人投掷的冰壶停止点与目标点的偏差在反馈控制下显著缩小，验证了其控制系统的环境适应性。

四、技术价值与应用前景

相较于传统轮式冰壶机器人，六足设计避免了车轮摩擦对冰面的损伤，其仿生动作链更贴近人类投掷逻辑。论文指出，该机器人可作为制冰师的辅助工具，通过多次投掷检测冰面摩擦系数；也可用于运动员训练，提供标准化的投掷参照。未来研究方向包括优化形态转换效率、开发配套擦拭机器人，以及继续研究冰壶与冰面相互作用的第一原理模型，以预测冰壶轨迹。

这项研究不仅展现了机器人技术在极端环境下的应用潜力，更通过跨学科协作，为冬季运动的科学化训练与场地维护提供了新范式。随着人工智能与机械设计的深度融合，类似的仿生机器人或将在更多体育场景中实现技术突破，推动智能体育装备的革新。

文章信息：

Mechanism Design and Motion Planning of a Hexapod Curling Robot Exhibited During the Beijing 2022 Winter Olympics Games

北京2022年冬奥会六足冰壶机器人的机构设计与运动规划

作者：

尹科, 高岳*, 高峰*, 陈先宝, 赵越, 肖宇光, 孙乔, 孙竞

引用：

Ke Yin, Yue Gao, Feng Gao, Xianbao Chen, Yue Zhao, Yuguang Xiao, Qiao Sun, Jing Sun. Mechanism Design and Motion Planning of a Hexapod Curling Robot Exhibited During the Beijing 2022 Winter Olympics Games. Engineering, 2024, 35(4): 15–31

开放获取论文：

https://doi.org/10.1016/j.eng.2023.10.018

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