憑借足槳可變型關(guān)節(jié)和多模態(tài)驅(qū)動(dòng)，機(jī)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(tuán)隊(duì)的最新研究成果——足槳式多模態(tài)水陸兩棲機(jī)器人。這款水陸兩棲機(jī)器人解決了機(jī)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(jī)器人領(lǐng)域國(guó)際頂級(jí)期刊《IEEE機(jī)器人學(xué)匯刊》在線發(fā)表了這一成果。

該論文由哈爾濱工程大學(xué)水下機(jī)器人技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室獨(dú)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(tǒng)化繁為簡(jiǎn)

兩棲機(jī)器人的研究一直是機(jī)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(yùn)動(dòng)，大部分兩棲機(jī)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(jī)器人的敏捷運(yùn)動(dòng)。

而王剛團(tuán)隊(duì)提出的足槳式多模態(tài)水陸兩棲機(jī)器人方案，為兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì)提供了一種新思路。通過(guò)推進(jìn)裝置的獨(dú)特構(gòu)型和參數(shù)優(yōu)化方法，團(tuán)隊(duì)將足槳自身的多模式推進(jìn)能力與機(jī)體的變型能力相結(jié)合，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人在兩棲環(huán)境下的運(yùn)動(dòng)模態(tài)切換，降低了機(jī)器人系統(tǒng)的復(fù)雜程度，同時(shí)滿足了水中、陸上兩種完全不同環(huán)境下對(duì)于機(jī)器人敏捷運(yùn)動(dòng)的需求，解決了傳統(tǒng)方法將爬游功能疊加造成的機(jī)器人運(yùn)動(dòng)性能不敏捷、作業(yè)效率低的問(wèn)題。

這款水陸兩棲機(jī)器人由機(jī)體框架、變型驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)、控制艙、電池倉(cāng)、足槳驅(qū)動(dòng)裝置組成。在奔跑模式下，機(jī)體在變型驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)下展平，足槳驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)以低速模式驅(qū)動(dòng)足槳，機(jī)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(jī)體在變型驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)下折疊，足槳驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)以高速模式驅(qū)動(dòng)足槳，機(jī)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(jī)器人

讓科研成果落地是團(tuán)隊(duì)奮斗的目標(biāo)。團(tuán)隊(duì)研發(fā)的機(jī)器人無(wú)論是在石地、草地、沙灘，還是水底、水中、水面，都表現(xiàn)出了比同類(lèi)機(jī)器人更優(yōu)越的運(yùn)動(dòng)能力和負(fù)載能力，“體能測(cè)試”成績(jī)十分優(yōu)異。

憑借獨(dú)特的構(gòu)型，足槳式多模態(tài)水陸兩棲機(jī)器人在水下陸上均能實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng)。團(tuán)隊(duì)通過(guò)彈性剛體—顆粒介質(zhì)—兩相流體耦合仿真方法，對(duì)機(jī)器人的足部幾何參數(shù)和奔跑過(guò)程的運(yùn)動(dòng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，極大地提高了其在沙灘和海底的運(yùn)動(dòng)能力。

同時(shí)，團(tuán)隊(duì)采用多傳感器感知和信息融合技術(shù)，讓機(jī)器人可自動(dòng)識(shí)別當(dāng)前的環(huán)境并調(diào)整運(yùn)動(dòng)模式。與同類(lèi)機(jī)器人相比，在已公開(kāi)發(fā)表的研究成果中，該機(jī)器人在顆粒介質(zhì)地面的奔跑速度可達(dá)到4倍體長(zhǎng)/秒，是目前同類(lèi)型機(jī)器人中運(yùn)動(dòng)速度最快的。

大部分兩棲機(jī)器人下水后易懸浮于水中，而該機(jī)器人入水后處于負(fù)浮力狀態(tài)，可直接沉入海底，這為機(jī)器人在海底工作提供了可能。該機(jī)器人高度僅有0.22米，當(dāng)它緊貼海底時(shí)，比懸浮式機(jī)器人受水流的影響更小，作業(yè)更穩(wěn)定。在海底作業(yè)時(shí)，遇到大面積水草、珊瑚礁，機(jī)器人直接穿過(guò)必然會(huì)造成一定生態(tài)破壞，此時(shí)機(jī)器人可由爬行狀態(tài)切換為游動(dòng)模式，當(dāng)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(jī)器人可運(yùn)動(dòng)到水面附近接收定位與通訊信號(hào)，對(duì)自己的位置信息進(jìn)行校準(zhǔn)。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)平均年齡26歲

這支機(jī)器人研發(fā)團(tuán)隊(duì)十分年輕，除了王剛，還有3名博士生和5名碩士生，團(tuán)隊(duì)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(jī)器人，需要團(tuán)隊(duì)在系統(tǒng)集成、智能控制、環(huán)境感知等方面都不能有短板。在機(jī)器人的重量與負(fù)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(tuán)隊(duì)在研究過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，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(xiàn)有理論都是以干顆粒為研究對(duì)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(tuán)隊(duì)便從最基礎(chǔ)的機(jī)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(jī)器人在沙灘和海底奔跑過(guò)程的動(dòng)態(tài)阻力模型，團(tuán)隊(duì)實(shí)現(xiàn)了對(duì)機(jī)器人在顆粒介質(zhì)地面奔跑過(guò)程的預(yù)測(cè)和參數(shù)優(yōu)化;借助計(jì)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(tuán)隊(duì)完成了機(jī)器人的設(shè)計(jì)和優(yōu)化過(guò)程。雖然“從頭開(kāi)始”拉長(zhǎng)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(zhǎng)起來(lái)。如今，在這個(gè)僅有9人的團(tuán)隊(duì)里，從設(shè)計(jì)到裝配，從接線到調(diào)試，從編程到試驗(yàn)的各個(gè)流程都有“專(zhuān)家”。

王剛表示，該論文是對(duì)團(tuán)隊(duì)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(rèn)識(shí)到在應(yīng)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(jié)果產(chǎn)出。未來(lái)團(tuán)隊(duì)將針對(duì)機(jī)器人在兩棲環(huán)境運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的基礎(chǔ)力學(xué)理論繼續(xù)深入研究，為提高機(jī)器人的智能化水平繼續(xù)努力。

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