水陸兩棲仿生機器人的研究及應用

徐小軍,劉博龍,潘迪博,魯興舉

(國防科技大學 智能科學學院,湖南 長沙,410073)

0 引言

隨著人類對江河湖海的探索和開發，水陸兩棲機器人逐漸得到廣泛的關注。水陸兩棲機器人具備在陸上和水上運動的能力,并且在水陸交界處的復雜環境中也能夠順利通行,這大大拓展了其工作范圍和執行任務的能力。目前,水陸兩棲機器人在資源探測、災后救援、巡檢維修、軍事偵察等領域的應用價值已經得到了充分的論證[1]。

兩棲仿生機器人技術代表著兩棲機器人中常見的一種設計思路,即從自然界中去尋找靈感。在自然界中天然存在著眾多兩棲動物,如螃蟹、蝦、烏龜、青蛙等,它們的身體結構和運動方式為科學家們提供了設計靈感,從而產生了眾多奇思妙想的兩棲仿生機器人[2]。

傳統的兩棲機器人多采用輪式運動機構加螺旋槳或噴泵的組合形式,具有成熟、可靠、高效的優勢,但與此相對應的是受地形環境限制大,在復雜陌生的環境和特定的工作場合中難以發揮有效作用。相比于傳統的陸上和水上驅動方式,兩棲仿生機器人的運動模式更為豐富和靈活,這為復雜環境下執行兩棲任務提供了更多的研究路徑[3]。目前,兩棲仿生機器人已經在管道檢測、水域探查、生物觀測等領域發揮了重要作用。未來,隨著相關技術的日益成熟,仿生機構的可靠性和效率進一步提升,兩棲仿生機器人將會在軍事、農業和工業等領域得到更廣泛的應用[4-5]。

對于兩棲仿生機器人的研究,根據借鑒程度不同,可分為模仿運動模式類和模仿運動結構類[6]。前者是根據觀察到的兩棲動物運動模式,設計出具有類似運動功能的機器人,如蛇形、青蛙形和龜形機器人等。后者是從不限于兩棲類的動物身上獲取的結構設計靈感,并運用在兩棲機器人上,使得機器人的一部分結構具備仿生的功能,典型的設計有腿式、鰭式和軟體機器人等。

1 模仿運動模式類兩棲仿生機器人

兩棲動物天生具備對水陸環境的適應能力,漫長的自然選擇過程使其拋棄冗余的結構和功能,保留下來最高效的運動模式。因此,對兩棲動物的研究、學習和模仿能夠極大地拓展研究人員的思路,促進對兩棲運動模式的理解,進而推動兩棲機器人的研究。下面根據兩棲仿生機器人不同的仿生對象分別加以介紹。

1.1 仿蛇形兩棲機器人

蛇類能夠在各種崎嶇復雜的地形上運動,并且能夠依靠自身的柔體結構實現水中的波動前進,常被作為仿生機器人的參考對象[7-8]。

日本東京大學研究仿蛇形機器人的歷史較長,得益于在微型驅動電機和控制方面的技術積累,其對模塊化蛇類機器人結構具有更深入理解[9]。通過分析蛇類蠕動的受力可得,其身體在偏離運動方向角度最大處產生的推進力最大,如圖1[10]所示。

圖1 仿蛇形機器人法向力分布Fig.1 Normal force distribution of snake-like robot

通過控制蛇形機器人不同區段的接地程度,可以更好地控制其驅動力集中。以此為基本運動模式,開發出世界上第1 個仿蛇類運動原理機器人ACM-Ⅲ[10],如 圖2 所 示。該 機 器 人全長2 m,質量28 kg,由20 個模塊連接而成,各個模塊間能夠繞垂直軸產生擺動運動,在陸上的速度能夠達到0.5 m/s。

圖2 ACM-Ⅲ仿蛇形機器人Fig.2 ACM-III snake-like robot

隨后,該團隊在2005 年設計并研制了一款仿蛇類運動的兩棲移動機器人ACM-R5[11-12]。該仿蛇機器人由多個關節模塊構成,每個模塊都有獨立的控制和運動能力,能夠根據需要增減模塊的數量。機器人的每個關節模塊能夠實現橫向和縱向2 個方向的擺動，且無論在地面上還是水下都能以相同的方式推進,即依靠不同關節的自由度來實現波動前進。其結構如圖3 所示。

圖3 ACM-R5 仿蛇形兩棲機器人Fig.3 ACM-R5 amphibious snake-like robot

瑞士聯邦理工學院也設計了AmphiBot 系列仿蛇形兩棲機器人[13],如圖4 所示。該系列機器人同樣采用波動推進的方式前進,能夠在水中游動和在地面上橫向波動移動。但受限于關節自由度只有1 個,無法實現上浮、下潛和翻滾運動。

圖4 AmphiBot 仿蛇形兩棲機器人Fig.4 AmphiBot amphibious snake-like robot

國內在仿生蛇形機器人研究領域也取得不小的進展。國防科技大學2001 年研制成功我國第1 臺蛇形機器人[14],如圖5 所示。該機器人長1.2 m,直徑0.06 m,質量1.8 kg,能夠通過波動的方式移動,并可穿越直徑10 cm 的管道。該機器人最大陸地運動速度20 m/min,其表面附加有防水層,能夠下潛到水下50 m 工作。

圖5 國防科技大學仿蛇形兩棲機器人Fig.5 Amphibious snake-like robot of National University of Defense Technology

北京理工大學研制了一款自主柔性的兩棲蛇形機器人[7],如圖6 所示。該機器人長10.7 cm,直徑7 cm,質量8 kg,陸上前進速度0.5 m/s。機器人搭載的單目視覺識別系統和慣性測量單元能夠實現高精度的路徑跟蹤和自主控制。

圖6 北京理工大學仿蛇形兩棲機器人Fig.6 Amphibious snake-like robot of Beijing Institute of Technology

中科院沈陽自動化研究所研制了一款名為“Perambulator”的兩棲機器人[15],如圖7 所示,它由9 個密封的萬向運動模塊組成,與ACM-R5 一樣具有橫向和縱向2 個方向擺動的自由度。機器人外側還設置了8 個一體式輪槳機構作為運動輔助,提高了機器人的運動效率。該機器人還能夠實現S 形翻滾、螺旋翻滾等三維運動。

圖7 Perambulator 仿蛇形兩棲機器人Fig.7 Perambulator amphibious snake-like robot

仿蛇形機器人是模仿運動模式類機器人中研究較多,技術也比較成熟,其應用場景大多為災難搜救。仿蛇形機器人技術關鍵在于多模塊的結構設計和協同控制,相對柔性的結構使其能夠在復雜、狹小區域執行探測搜救任務,但這種結構也限制了其負載能力和移動速度。

1.2 仿青蛙兩棲機器人

青蛙是常見的兩棲動物之一,其在水下和陸上都具有優異的運動能力。青蛙的水上泳姿能夠使其不費力地長時間運動,而其陸上的跳躍功能為其帶來了強大的越障能力。

北京理工大學的研究團隊通過觀察青蛙在水陸環境中的運動模式,研制了一款仿青蛙形水陸兩棲機器人FroBot[16-17],如圖8 所示。該機器人的主要運動機構為擺腿結構。在陸上時,擺腿結構配合萬向輪前進,車輪的交叉擺動提供了向前的推力,如圖9 所示。在水中時,擺腿結構帶動柔性的尾鰭驅動機器人前進,通過尾鰭與水流的相互作用提供向前的推力,如圖10 所示。機器人首部的胸鰭能夠實現水下的俯仰和翻滾運動,前舵輪能夠實現陸上轉向。其陸上最大速度可達1 m/s,水上最大速度可達0.4 m/s。

圖8 北京理工大學FroBot 兩棲機器人Fig.8 Amphibious FroBot robot of Beijing Institute of Technology

圖9 FroBot 兩棲機器人陸上運動受力分析Fig.9 Force analysis of FroBot on land motion

圖10 FroBot 兩棲機器人水中運動受力分析Fig.10 Force analysis of the FroBot in water motion

哈爾濱工業大學研制的仿青蛙機器人具有更靈活的控制結構[18],如圖11（a）所示。該機器人軀干相對扁平,起到減小阻力的作用;腿部采用三連桿機構,相比于Frobot 更接近真實的青蛙腿部,如圖11（b）所示。通過內置的小型氣泵和儲氣瓶驅動仿青蛙機器人的腿部伸展與收縮,調整髖關節、膝關節和踝關節處的氣閥,從而有效控制腿部的運動軌跡。機器人在水中的最大游動速度達到0.67 m/s,能夠依靠兩腿的差速實現水中轉向。

圖11 哈爾濱工業大學仿青蛙機器人Fig.11 Bionic frog robot of Harbin Institute of Technology

仿青蛙機器人的難點在于腿部結構和驅動模式的設計,其在水中的運動較為隱蔽,具備一定的負載能力,但陸上的跳躍功能較難實現。

1.3 仿烏龜兩棲機器人

烏龜是最古老的兩棲動物之一,它在漫長的進化中發展出了集陸上水中運動于一體的運動結構,對烏龜的模仿持續了相當長的時間[19]。世界上公認最早的移動機器人就是誕生于1949 年的一對機械龜EImer 和Elisel,但受技術水平限制,在之后很長一段時間內對烏龜運動模式的模仿尚不充分。

美國耶魯大學最近研制出了一款仿烏龜形水陸兩棲機器人ART[20],如圖12 所示。該機器人結合了海龜和陸龜的結構特點,具有可變形的四肢,能夠根據環境調整四肢的形態和剛度。當機器人在陸上運動時,四肢頂端可彎曲成足式結構,能夠以各種步態在陸上行走;而當機器人處于水中時,其四肢變成鰭狀,能夠以類似海龜的水上泳姿移動。機器人在肩部關節處設有3 個馬達,可以進行靈活的調整,實現水陸多種運動模式。

圖12 兩棲仿生龜ARTFig.12 Amphibious turtle robot ART

除了仿生龜以外,還有大量基于仿生爬行動物的兩棲爬行機器人,能夠在陸上和水下爬行。如瑞士洛桑聯邦理工學院研制的仿蠑螈兩棲機器人Salamandra robotica II[21](圖13(a))、美國波士頓東北大學研制的仿龍蝦機器人Lobster[22-23](圖13(b))、韓國海洋科學技術院研發的仿螃蟹機器人Crabster[24](圖13(c))及中國科學院大學研發的仿海星兩棲機器人[25](圖13(d))等。這些機器人能夠在陸上和水底執行作業任務,但無法在水中游泳。

圖13 仿生兩棲爬行機器人Fig.13 Amphibious bionic crawling robots

2 模仿運動結構類兩棲仿生機器人

除了模仿兩棲類動物運動模式外,借鑒自然界生物運動結構,并將其應用于兩棲機器人設計,也是常見的仿生學研究手段。典型的模仿對象有動物的腿足結構、魚鰭結構和軟體驅動結構。

2.1 仿腿足結構兩棲機器人

模仿腿足結構的兩棲機器人除了前文提到的單一腿式結構以外,還有將腿足結構和輪槳等結構復合設計的多運動模式機器人。如哈爾濱工程大學的足槳式多模態兩棲機器人[26],如圖14 所示。該機器人憑借足槳復合機構和可變形關節,能夠在岸灘和水中快速移動。在奔跑模式下,機器人的機體可以在變形驅動關節的控制下展平,電機切換為高力矩模式,機器人依靠足部的推進能力實現機動;在水中游動模式下,機體折疊,螺旋槳角度調整為斜向上,電機切換為高速模式,驅動螺旋槳快速轉動提供水中動力。

圖14 足槳式多模態兩棲機器人Fig.14 Foot-propeller multimode amphibious robot

中國科學院沈陽自動化研究所研制的輪-槳-腿一體化兩棲機器人同樣具備陸上爬行和水中游泳2 種運動模式[27],如圖15 所示。機器人的中間設有2 個側板驅動裝置,在陸上爬行模式下,側板可以作為爬行腿,輔助越障;在水中游泳模式下,側板可以作為方向舵,控制機器人俯仰運動。機器人的陸上最大爬行速度為1 m/s,水中最大航速為0.7 kn,最大下潛深度10 m。

圖15 輪-槳-腿一體化兩棲機器人Fig.15 Wheel-propeller-leg amphibious robot

國防科技大學的研究團隊將輪腿2 種運動結構相融合,設計出了一款可變構型兩棲仿生機器人[28-29],如圖16 所示。該機器人將輪式、腿式和螺旋槳運動結構高度集成并實現了動力復用,能夠在水陸2 種工作模式下高效切換。該機器人不僅能在水陸工況下高速機動,還具備陸上的腿式越障和蛙式跳躍入水功能。

圖16 變構型兩棲仿生機器人Fig.16 Variant configuration amphibious bionic robot

此外,球形兩棲仿生機器人也多采用腿式或輪式與噴水推進相結合的方式實現機動,這類機器人具有體型小、透明性高、隱蔽性好、機動靈活的特點,在兩棲偵察、海底探測以及深?？瓶嫉阮I域具有一定的應用價值[30-31]。

2.2 仿魚鰭結構兩棲機器人

研究者們對于仿生魚的研究已經持續了數十年的時間,美國麻省理工學院早在1994 年便研制出來第一條仿生金槍魚Robotuna,之后在仿生機器魚領域國內外均有大量成果涌現。2004 年,美國加州理工學院通過研究電鰻的鰭部結構,提出了一種仿生波動鰭的設計思路[32],能夠在水中依靠長波動鰭的規律性起伏提供動力。2015 年，美國海軍實驗局聯合Pliant Energy Systems 公司共同開發的兩棲機器人Velox 采用了波動鰭的設計[33],將波動鰭的適用范圍拓展到了陸地上。Velox 兩側設有1 對波動鰭,能夠憑借鰭的起伏運動在水中和陸上移動,如圖17 所示。

圖17 Velox 兩棲機器人Fig.17 Velox amphibious robot

目前,國內的國防科技大學[34]、中國科學院大學[35]以及西安交通大學[33]等相關研究機構均對此類構型開展了研究。

2.3 仿軟體結構兩棲機器人

隨著軟體驅動技術的小型化和智能化,其在兩棲仿生機器人領域的應用也日益成熟。仿生軟體結構可以實現類似肌肉的驅動,更精確地模擬軟體生物的行為。北京大學的研究團隊利用3D 打印技術設計了一種兩棲機器人的仿生驅動關節[36],如圖18 所示。仿生關節由2 個氣囊組成,氣囊間的連接用于模擬關節運動,能夠通過輸入電壓力的變化來控制關節的三維運動。

圖18 受烏龜啟發的軟體兩棲機器人Fig.18 A tortoise-inspired soft-amphibious robot

東京工業大學的研究團隊基于McKibben 型氣動驅動器設計了一種軟體兩棲爬行機器人的運動機構[37],如圖19 所示。該機器人的運動機構由16 個McKibben 型氣動驅動器組成,每個腿部結構包含3 個驅動器,身軀由4 個驅動器控制,腿部和身軀的姿態通過不同的驅動器組操控。該機器人能夠在陸上爬行并在水中以類似鰻魚的方式移動。

圖19 基于McKibben 驅動器的軟體兩棲機器人Fig.19 Soft-amphibious robot using McKibben actuator

美國坦普爾大學研制的氣動軟體兩棲攀爬機器人能夠在地面和水下爬行[38],如圖20 所示。機器人以蠕動方式在物體表面移動,兩端的軟附著力吸盤能夠形成可控的腔內負壓,在陸上和水下的垂直壁面上有效吸附。

圖20 軟體兩棲攀爬機器人Fig.20 Soft-amphibious climbing robot

此外,形狀記憶合金也被用于制作兩棲仿生機器人的柔性驅動結構,美國伊利諾伊大學和韓國漢陽大學研究團隊利用形狀記憶合金制作了一款模仿海豹運動的兩棲仿生機器人肌肉驅動機構[39],如圖21 所示。該機器人陸上每步能夠前進20.1 mm,水下移動速度達到18.8 mm/s。

圖21 基于形狀記憶合金的軟體兩棲機器人Fig.21 Shape memory alloy-based soft amphibious robot

相比于模仿運動模式類兩棲仿生機器人,模仿運動結構的設計更加靈活和高效,拋棄冗余設計,將多種運動模式結合,為仿生機構領域提供了更多的新思路。

3 水陸兩棲仿生機器人技術優勢

隨著無人平臺技術的快速迭代和不斷升級,其在復雜環境下執行任務的效果相較于人類具有更加明顯的優勢。具體優勢表現為以下幾點:

1) 降低作業人員面臨的風險,減少人員傷亡。兩棲仿生機器人的作業任務都是在比較惡劣的環境條件下進行的,地形復雜、涉水較深,人員難以活動且容易出現傷亡。兩棲仿生機器人可由人員在遠處遙控或自主執行任務,從而有效避免人員直接接觸危險源,降低了風險。

2) 適應復雜作業環境,具備高效的越障和跨域機動能力。兩棲仿生機器人能夠根據作業環境的需要針對性地進行結構和功能設計,不同的仿生行動結構設計能夠為機器人帶來不同的涉水能力和陸上通行能力,提高機器人的越障能力和跨域機動能力。

3) 生產周期和成本可控,能夠大批量生產。機器人的優勢在于大批量生產的情況下成本可控。目前的兩棲仿生機器人多處于實驗室研究階段,成本難以估計和控制,但只要技術成熟且應用前景可觀，即可轉化生產、壓縮生產成本,從而進一步促進機器人的推廣應用。

4) 平臺接口模塊化,可搭載不同任務載荷,執行多樣化任務。兩棲仿生機器人在設計生產階段可以預留出通用的模塊化接口,搭載不同的探測設備和任務執行設備,使其具備偵察、探測、搜救及巡檢等多樣化任務的執行能力。

4 水陸兩棲仿生機器人應用場景

水陸兩棲仿生機器人具備跨域的靈活機動能力,能夠在復雜環境下完成偵察、探測、救援等危險任務,在軍事和民用領域都具有廣闊的應用。以下列舉4 種典型的應用場景。

1) 隱蔽偵察

水陸兩棲仿生機器人多采用仿生學的水下和陸上移動方式,具有低噪聲、隱身性好的特點,適合用來隱蔽偵察。在對目標登陸地點的偵察行動中,兩棲仿生機器人可在遠離岸邊的水域由艦艇或者潛艇釋放,保持水中運動模式推進至岸灘。上岸后,機器人根據需要切換為陸上運動模式,仿生地面推進方式可以為兩棲機器人提供更強大的越障能力。在抵達目標區域后,機器人可以通過搭載的探測設備對周圍區域進行偵察探測,并將收集到的信息回傳給指揮控制平臺。完成任務后,機器人可以返回釋放點或潛伏下水等待回收。

2) 特種突襲

在現代化的戰爭模式中,特種突襲成為毀傷敵方作戰裝備,打擊敵方有生力量的重要方式。以目前正在進行的俄烏戰爭為例,單兵攜行武器和小型無人裝備的突襲往往能夠對大型的敵方裝甲車輛和武器設施造成毀滅性的打擊。因此大力發展小型無人化突襲機器人,能夠在戰場上起到以小博大的效果。水陸兩棲仿生機器人能夠設計成一次性使用的突襲裝備,搭載爆破裝備和引導打擊裝置。依靠其隱蔽性和小型化特性潛入目標對象附近后,引爆身上的炸藥打擊敵方設施,或可由激光制導設備引導后方火力覆蓋摧毀目標。

3) 自主岸防

我國海岸線漫長,海島眾多,存在大量遺留的海島爭端問題。為了更好地守護我國的領土和領海,需要大量的先進兩棲設備來加強岸防力量。水陸兩棲仿生機器人能夠在岸邊和近岸水域巡邏,彌補了巡邏值守人力不足的問題。仿生結構設計如波浪鰭結構能夠讓機器人以更少的能耗完成移動,適用于長期定域巡航;腿槳式結構仿生機器人擁有更快的移動速度,適用于快速響應緊急情況。在惡劣天氣和海況下,仿生兩棲機器人具備更強的生存和值守能力,相比于人力巡邏和空中巡航而言具有更廣泛的環境適應性。

4) 應急救援

在地震、洪水等自然災害中,復雜的地形環境和水障礙往往成為阻礙救援任務進行的關鍵,需要耗費寶貴的救援時間來開辟道路。兩棲仿生機器人能夠憑借其強大的越障能力和涉水能力穿越復雜的地形環境,在受災地區執行探測、救援、物資運輸等任務。仿蛇形機器人具有穿越狹小空間的能力,能夠在狹小通道內穿行,更為高效地感知救援環境和被困人員的狀態,豐富救援手段。

5 結束語

水陸兩棲仿生機器人遵循從自然界中獲取靈感的機器人設計思路，擁有多樣化的結構和功能。文中將其分為模仿運動模式類和模仿運動結構類。前者的運動模式更加成熟和穩定，能夠執行特殊條件下的任務，功能的針對性更強；后者的結構功能更加靈活可控，可擴展性較好，在復雜地形環境下的適應性更強。

目前，由于設計、制造、控制等方面的限制，水陸兩棲機器人的研究還處于實驗室試制階段，無法形成量產應用。因此，未來需要在結構、材料、控制架構等方面深入探索，實現關鍵技術的突破，為水陸兩棲仿生機器人的大規模量產和推廣應用打下良好的理論和工程基礎。