既会跑又会游 水陆两栖机器人再升级

◎本报记者 李丽云 通 讯 员 朱 虹

凭借足桨可变型关节和多模态驱动，机器人可在沙滩和水下智能切换奔跑模式和游动模式。这就是哈尔滨工程大学王刚副教授科研团队的最新研究成果——足桨式多模态水陆两栖机器人。这款水陆两栖机器人解决了机器人难以在浅滩环境中敏捷游动和快速奔跑的业界难题。日前，机器人领域国际顶级期刊《IEEE机器人学汇刊》在线发表了这一成果。

该论文由哈尔滨工程大学水下机器人技术重点实验室独立完成，王刚为论文的通讯作者，哈尔滨工程大学博士研究生马鑫盟和刘开鑫为共同第一作者。

新思路让系统化繁为简

两栖机器人的研究一直是机器人领域的热点之一，为了在水陆两种不同的介质中运动，大部分两栖机器人既要有轮子又要有螺旋桨，但由于水陆环境介质密度相差巨大，尤其是连接海洋和陆地的浅滩，浪流扰动剧烈，地面干湿颗粒力学特性存在很大不同，因此不利于机器人的敏捷运动。

而王刚团队提出的足桨式多模态水陆两栖机器人方案，为两栖机器人设计提供了一种新思路。通过推进装置的独特构型和参数优化方法，团队将足桨自身的多模式推进能力与机体的变型能力相结合，实现了机器人在两栖环境下的运动模态切换，降低了机器人系统的复杂程度，同时满足了水中、陆上两种完全不同环境下对于机器人敏捷运动的需求，解决了传统方法将爬游功能叠加造成的机器人运动性能不敏捷、作业效率低的问题。

这款水陆两栖机器人由机体框架、变型驱动关节、控制舱、电池仓、足桨驱动装置组成。在奔跑模式下，机体在变型驱动关节的驱动下展平，足桨驱动关节以低速模式驱动足桨，机器人依靠足部的推进力在海底或沙滩奔跑；在游动模式下，机体在变型驱动关节的驱动下折叠，足桨驱动关节以高速模式驱动足桨，机器人依靠桨的推进能力在水面、水中游动。

奔跑速度优于同类机器人

让科研成果落地是团队奋斗的目标。团队研发的机器人无论是在石地、草地、沙滩，还是水底、水中、水面，都表现出了比同类机器人更优越的运动能力和负载能力，“体能测试”成绩十分优异。

凭借独特的构型，足桨式多模态水陆两栖机器人在水下陆上均能实现高速运动。团队通过弹性刚体—颗粒介质—两相流体耦合仿真方法，对机器人的足部几何参数和奔跑过程的运动参数进行优化，极大地提高了其在沙滩和海底的运动能力。

同时，团队采用多传感器感知和信息融合技术，让机器人可自动识别当前的环境并调整运动模式。与同类机器人相比，在已公开发表的研究成果中，该机器人在颗粒介质地面的奔跑速度可达到4倍体长/秒，是目前同类型机器人中运动速度最快的。

大部分两栖机器人下水后易悬浮于水中，而该机器人入水后处于负浮力状态，可直接沉入海底，这为机器人在海底工作提供了可能。该机器人高度仅有0.22米，当它紧贴海底时，比悬浮式机器人受水流的影响更小，作业更稳定。在海底作业时，遇到大面积水草、珊瑚礁，机器人直接穿过必然会造成一定生态破坏，此时机器人可由爬行状态切换为游动模式，当切换为游动模式时，它在水中能够敏捷地在各类障碍物中穿梭。

此外，借助游动模式，机器人可运动到水面附近接收定位与通讯信号，对自己的位置信息进行校准。

研发团队平均年龄26岁

这支机器人研发团队十分年轻，除了王刚，还有3名博士生和5名硕士生，团队成员平均年龄只有26岁。

想要完成一个具有优异性能的机器人，需要团队在系统集成、智能控制、环境感知等方面都不能有短板。在机器人的重量与负载能力、陆上与水下介质受力差异、快速性与操纵性等各种关系中寻找平衡点是研发过程中的最大难点。

团队在研究过程中发现，从陆到水整个过程中的颗粒介质力学特性不同，而现有理论都是以干颗粒为研究对象，湿颗粒研究成果则寥寥无几。没有可以参考的研究成果，团队便从最基础的机器人足部与颗粒介质交互过程的力学性质入手。通过建立机器人在沙滩和海底奔跑过程的动态阻力模型，团队实现了对机器人在颗粒介质地面奔跑过程的预测和参数优化；借助计算流体力学、离散元和多体动力学耦合仿真等方法，团队完成了机器人的设计和优化过程。虽然“从头开始”拉长了整个研究周期，但在这个过程中，同学们迅速成长起来。如今，在这个仅有9人的团队里，从设计到装配，从接线到调试，从编程到试验的各个流程都有“专家”。

王刚表示，该论文是对团队过去探索过程的一次回顾，希望这篇论文能起到一定的示范作用，让同学们认识到在应用实践中找到真问题，静下心来脚踏实地解决它，一定会有好的结果产出。未来团队将针对机器人在两栖环境运动过程中的基础力学理论继续深入研究，为提高机器人的智能化水平继续努力。