足槳式多模態(tài)水陸兩棲機器人解決了機器人難以在淺灘環(huán)境中敏捷游動(dòng)和快速奔跑的業(yè)界難題。憑借足槳可變型關(guān)節和多模態(tài)驅動(dòng)，機器人可在沙灘和水下智能切換奔跑模式和游動(dòng)模式。研究團隊在淺灘環(huán)境中對足槳式多模態(tài)水陸

 

兩棲機器人進(jìn)行試驗哈爾濱工程大學(xué)供圖

 

憑借足槳可變型關(guān)節和多模態(tài)驅動(dòng)，機器人可在沙灘和水下智能切換奔跑模式和游動(dòng)模式。這就是哈爾濱工程大學(xué)王剛副教授科研團隊的最新研究成果——足槳式多模態(tài)水陸兩棲機器人。這款水陸兩棲機器人解決了機器人難以在淺灘環(huán)境中敏捷游動(dòng)和快速奔跑的業(yè)界難題。日前，機器人領(lǐng)域國際頂級期刊《IEEE機器人學(xué)匯刊》在線(xiàn)發(fā)表了這一成果。

 

該論文由哈爾濱工程大學(xué)水下機器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗室獨立完成，王剛為論文的通訊作者，哈爾濱工程大學(xué)博士研究生馬鑫盟和劉開(kāi)鑫為共同第一作者。

 

新思路讓系統化繁為簡(jiǎn)

 

兩棲機器人的研究一直是機器人領(lǐng)域的熱點(diǎn)之一，為了在水陸兩種不同的介質(zhì)中運動(dòng)，大部分兩棲機器人既要有輪子又要有螺旋槳，但由于水陸環(huán)境介質(zhì)密度相差巨大，尤其是連接海洋和陸地的淺灘，浪流擾動(dòng)劇烈，地面干濕顆粒力學(xué)特性存在很大不同，因此不利于機器人的敏捷運動(dòng)。

 

而王剛團隊提出的足槳式多模態(tài)水陸兩棲機器人方案，為兩棲機器人設計提供了一種新思路。通過(guò)推進(jìn)裝置的獨特構型和參數優(yōu)化方法，團隊將足槳自身的多模式推進(jìn)能力與機體的變型能力相結合，實(shí)現了機器人在兩棲環(huán)境下的運動(dòng)模態(tài)切換，降低了機器人系統的復雜程度，同時(shí)滿(mǎn)足了水中、陸上兩種完全不同環(huán)境下對于機器人敏捷運動(dòng)的需求，解決了傳統方法將爬游功能疊加造成的機器人運動(dòng)性能不敏捷、作業(yè)效率低的問(wèn)題。

 

這款水陸兩棲機器人由機體框架、變型驅動(dòng)關(guān)節、控制艙、電池倉、足槳驅動(dòng)裝置組成。在奔跑模式下，機體在變型驅動(dòng)關(guān)節的驅動(dòng)下展平，足槳驅動(dòng)關(guān)節以低速模式驅動(dòng)足槳，機器人依靠足部的推進(jìn)力在海底或沙灘奔跑；在游動(dòng)模式下，機體在變型驅動(dòng)關(guān)節的驅動(dòng)下折疊，足槳驅動(dòng)關(guān)節以高速模式驅動(dòng)足槳，機器人依靠槳的推進(jìn)能力在水面、水中游動(dòng)。

 

奔跑速度優(yōu)于同類(lèi)機器人

 

讓科研成果落地是團隊奮斗的目標。團隊研發(fā)的機器人無(wú)論是在石地、草地、沙灘，還是水底、水中、水面，都表現出了比同類(lèi)機器人更優(yōu)越的運動(dòng)能力和負載能力，“體能測試”成績(jì)十分優(yōu)異。

 

憑借獨特的構型，足槳式多模態(tài)水陸兩棲機器人在水下陸上均能實(shí)現高速運動(dòng)。團隊通過(guò)彈性剛體—顆粒介質(zhì)—兩相流體耦合仿真方法，對機器人的足部幾何參數和奔跑過(guò)程的運動(dòng)參數進(jìn)行優(yōu)化，極大地提高了其在沙灘和海底的運動(dòng)能力。

 

同時(shí)，團隊采用多傳感器感知和信息融合技術(shù)，讓機器人可自動(dòng)識別當前的環(huán)境并調整運動(dòng)模式。與同類(lèi)機器人相比，在已公開(kāi)發(fā)表的研究成果中，該機器人在顆粒介質(zhì)地面的奔跑速度可達到4倍體長(cháng)/秒，是目前同類(lèi)型機器人中運動(dòng)速度最快的。

 

大部分兩棲機器人下水后易懸浮于水中，而該機器人入水后處于負浮力狀態(tài)，可直接沉入海底，這為機器人在海底工作提供了可能。該機器人高度僅有0.22米，當它緊貼海底時(shí)，比懸浮式機器人受水流的影響更小，作業(yè)更穩定。在海底作業(yè)時(shí)，遇到大面積水草、珊瑚礁，機器人直接穿過(guò)必然會(huì )造成一定生態(tài)破壞，此時(shí)機器人可由爬行狀態(tài)切換為游動(dòng)模式，當切換為游動(dòng)模式時(shí)，它在水中能夠敏捷地在各類(lèi)障礙物中穿梭。

 

此外，借助游動(dòng)模式，機器人可運動(dòng)到水面附近接收定位與通訊信號，對自己的位置信息進(jìn)行校準。

 

研發(fā)團隊平均年齡26歲

 

這支機器人研發(fā)團隊十分年輕，除了王剛，還有3名博士生和5名碩士生，團隊成員平均年齡只有26歲。

 

想要完成一個(gè)具有優(yōu)異性能的機器人，需要團隊在系統集成、智能控制、環(huán)境感知等方面都不能有短板。在機器人的重量與負載能力、陸上與水下介質(zhì)受力差異、快速性與操縱性等各種關(guān)系中尋找平衡點(diǎn)是研發(fā)過(guò)程中的最大難點(diǎn)。

 

團隊在研究過(guò)程中發(fā)現，從陸到水整個(gè)過(guò)程中的顆粒介質(zhì)力學(xué)特性不同，而現有理論都是以干顆粒為研究對象，濕顆粒研究成果則寥寥無(wú)幾。沒(méi)有可以參考的研究成果，團隊便從最基礎的機器人足部與顆粒介質(zhì)交互過(guò)程的力學(xué)性質(zhì)入手。通過(guò)建立機器人在沙灘和海底奔跑過(guò)程的動(dòng)態(tài)阻力模型，團隊實(shí)現了對機器人在顆粒介質(zhì)地面奔跑過(guò)程的預測和參數優(yōu)化；借助計算流體力學(xué)、離散元和多體動(dòng)力學(xué)耦合仿真等方法，團隊完成了機器人的設計和優(yōu)化過(guò)程。雖然“從頭開(kāi)始”拉長(cháng)了整個(gè)研究周期，但在這個(gè)過(guò)程中，同學(xué)們迅速成長(cháng)起來(lái)。如今，在這個(gè)僅有9人的團隊里，從設計到裝配，從接線(xiàn)到調試，從編程到試驗的各個(gè)流程都有“專(zhuān)家”。

 

王剛表示，該論文是對團隊過(guò)去探索過(guò)程的一次回顧，希望這篇論文能起到一定的示范作用，讓同學(xué)們認識到在應用實(shí)踐中找到真問(wèn)題，靜下心來(lái)腳踏實(shí)地解決它，一定會(huì )有好的結果產(chǎn)出。未來(lái)團隊將針對機器人在兩棲環(huán)境運動(dòng)過(guò)程中的基礎力學(xué)理論繼續深入研究，為提高機器人的智能化水平繼續努力。