徐小軍,劉博龍,潘迪博,魯興舉

(國(guó)防科技大學(xué) 智能科學(xué)學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙,410073)

0 引言

隨著人類對(duì)江河湖海的探索和開發(fā)，水陸兩棲機(jī)器人逐漸得到廣泛的關(guān)注。水陸兩棲機(jī)器人具備在陸上和水上運(yùn)動(dòng)的能力,并且在水陸交界處的復(fù)雜環(huán)境中也能夠順利通行,這大大拓展了其工作范圍和執(zhí)行任務(wù)的能力。目前,水陸兩棲機(jī)器人在資源探測(cè)、災(zāi)后救援、巡檢維修、軍事偵察等領(lǐng)域的應(yīng)用價(jià)值已經(jīng)得到了充分的論證[1]。

兩棲仿生機(jī)器人技術(shù)代表著兩棲機(jī)器人中常見的一種設(shè)計(jì)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(dòng)物,如螃蟹、蝦、烏龜、青蛙等,它們的身體結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式為科學(xué)家們提供了設(shè)計(jì)靈感,從而產(chǎn)生了眾多奇思妙想的兩棲仿生機(jī)器人[2]。

傳統(tǒng)的兩棲機(jī)器人多采用輪式運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加螺旋槳或噴泵的組合形式,具有成熟、可靠、高效的優(yōu)勢(shì),但與此相對(duì)應(yīng)的是受地形環(huán)境限制大,在復(fù)雜陌生的環(huán)境和特定的工作場(chǎng)合中難以發(fā)揮有效作用。相比于傳統(tǒng)的陸上和水上驅(qū)動(dòng)方式,兩棲仿生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)模式更為豐富和靈活,這為復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行兩棲任務(wù)提供了更多的研究路徑[3]。目前,兩棲仿生機(jī)器人已經(jīng)在管道檢測(cè)、水域探查、生物觀測(cè)等領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用。未來,隨著相關(guān)技術(shù)的日益成熟,仿生機(jī)構(gòu)的可靠性和效率進(jìn)一步提升,兩棲仿生機(jī)器人將會(huì)在軍事、農(nóng)業(yè)和工業(yè)等領(lǐng)域得到更廣泛的應(yīng)用[4-5]。

對(duì)于兩棲仿生機(jī)器人的研究,根據(jù)借鑒程度不同,可分為模仿運(yùn)動(dòng)模式類和模仿運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)類[6]。前者是根據(jù)觀察到的兩棲動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模式,設(shè)計(jì)出具有類似運(yùn)動(dòng)功能的機(jī)器人,如蛇形、青蛙形和龜形機(jī)器人等。后者是從不限于兩棲類的動(dòng)物身上獲取的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)靈感,并運(yùn)用在兩棲機(jī)器人上,使得機(jī)器人的一部分結(jié)構(gòu)具備仿生的功能,典型的設(shè)計(jì)有腿式、鰭式和軟體機(jī)器人等。

1 模仿運(yùn)動(dòng)模式類兩棲仿生機(jī)器人

兩棲動(dòng)物天生具備對(duì)水陸環(huán)境的適應(yīng)能力,漫長(zhǎng)的自然選擇過程使其拋棄冗余的結(jié)構(gòu)和功能,保留下來最高效的運(yùn)動(dòng)模式。因此,對(duì)兩棲動(dòng)物的研究、學(xué)習(xí)和模仿能夠極大地拓展研究人員的思路,促進(jìn)對(duì)兩棲運(yùn)動(dòng)模式的理解,進(jìn)而推動(dòng)兩棲機(jī)器人的研究。下面根據(jù)兩棲仿生機(jī)器人不同的仿生對(duì)象分別加以介紹。

1.1 仿蛇形兩棲機(jī)器人

蛇類能夠在各種崎嶇復(fù)雜的地形上運(yùn)動(dòng),并且能夠依靠自身的柔體結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)水中的波動(dòng)前進(jìn),常被作為仿生機(jī)器人的參考對(duì)象[7-8]。

日本東京大學(xué)研究仿蛇形機(jī)器人的歷史較長(zhǎng),得益于在微型驅(qū)動(dòng)電機(jī)和控制方面的技術(shù)積累,其對(duì)模塊化蛇類機(jī)器人結(jié)構(gòu)具有更深入理解[9]。通過分析蛇類蠕動(dòng)的受力可得,其身體在偏離運(yùn)動(dòng)方向角度最大處產(chǎn)生的推進(jìn)力最大,如圖1[10]所示。

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

通過控制蛇形機(jī)器人不同區(qū)段的接地程度,可以更好地控制其驅(qū)動(dòng)力集中。以此為基本運(yùn)動(dòng)模式,開發(fā)出世界上第1 個(gè)仿蛇類運(yùn)動(dòng)原理機(jī)器人ACM-Ⅲ[10],如 圖2 所 示。該 機(jī) 器 人全長(zhǎng)2 m,質(zhì)量28 kg,由20 個(gè)模塊連接而成,各個(gè)模塊間能夠繞垂直軸產(chǎn)生擺動(dòng)運(yùn)動(dòng),在陸上的速度能夠達(dá)到0.5 m/s。

圖2 ACM-Ⅲ仿蛇形機(jī)器人Fig.2 ACM-III snake-like robot

隨后,該團(tuán)隊(duì)在2005 年設(shè)計(jì)并研制了一款仿蛇類運(yùn)動(dòng)的兩棲移動(dòng)機(jī)器人ACM-R5[11-12]。該仿蛇機(jī)器人由多個(gè)關(guān)節(jié)模塊構(gòu)成,每個(gè)模塊都有獨(dú)立的控制和運(yùn)動(dòng)能力,能夠根據(jù)需要增減模塊的數(shù)量。機(jī)器人的每個(gè)關(guān)節(jié)模塊能夠?qū)崿F(xiàn)橫向和縱向2 個(gè)方向的擺動(dòng)，且無論在地面上還是水下都能以相同的方式推進(jìn),即依靠不同關(guān)節(jié)的自由度來實(shí)現(xiàn)波動(dòng)前進(jìn)。其結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

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

瑞士聯(lián)邦理工學(xué)院也設(shè)計(jì)了AmphiBot 系列仿蛇形兩棲機(jī)器人[13],如圖4 所示。該系列機(jī)器人同樣采用波動(dòng)推進(jìn)的方式前進(jìn),能夠在水中游動(dòng)和在地面上橫向波動(dòng)移動(dòng)。但受限于關(guān)節(jié)自由度只有1 個(gè),無法實(shí)現(xiàn)上浮、下潛和翻滾運(yùn)動(dòng)。

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

國(guó)內(nèi)在仿生蛇形機(jī)器人研究領(lǐng)域也取得不小的進(jìn)展。國(guó)防科技大學(xué)2001 年研制成功我國(guó)第1 臺(tái)蛇形機(jī)器人[14],如圖5 所示。該機(jī)器人長(zhǎng)1.2 m,直徑0.06 m,質(zhì)量1.8 kg,能夠通過波動(dòng)的方式移動(dòng),并可穿越直徑10 cm 的管道。該機(jī)器人最大陸地運(yùn)動(dòng)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(guó)防科技大學(xué)仿蛇形兩棲機(jī)器人Fig.5 Amphibious snake-like robot of National University of Defense Technology

北京理工大學(xué)研制了一款自主柔性的兩棲蛇形機(jī)器人[7],如圖6 所示。該機(jī)器人長(zhǎng)10.7 cm,直徑7 cm,質(zhì)量8 kg,陸上前進(jìn)速度0.5 m/s。機(jī)器人搭載的單目視覺識(shí)別系統(tǒng)和慣性測(cè)量單元能夠?qū)崿F(xiàn)高精度的路徑跟蹤和自主控制。

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

中科院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制了一款名為“Perambulator”的兩棲機(jī)器人[15],如圖7 所示,它由9 個(gè)密封的萬(wàn)向運(yùn)動(dòng)模塊組成,與ACM-R5 一樣具有橫向和縱向2 個(gè)方向擺動(dòng)的自由度。機(jī)器人外側(cè)還設(shè)置了8 個(gè)一體式輪槳機(jī)構(gòu)作為運(yùn)動(dòng)輔助,提高了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)效率。該機(jī)器人還能夠?qū)崿F(xiàn)S 形翻滾、螺旋翻滾等三維運(yùn)動(dòng)。

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

仿蛇形機(jī)器人是模仿運(yùn)動(dòng)模式類機(jī)器人中研究較多,技術(shù)也比較成熟,其應(yīng)用場(chǎng)景大多為災(zāi)難搜救。仿蛇形機(jī)器人技術(shù)關(guān)鍵在于多模塊的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和協(xié)同控制,相對(duì)柔性的結(jié)構(gòu)使其能夠在復(fù)雜、狹小區(qū)域執(zhí)行探測(cè)搜救任務(wù),但這種結(jié)構(gòu)也限制了其負(fù)載能力和移動(dòng)速度。

1.2 仿青蛙兩棲機(jī)器人

青蛙是常見的兩棲動(dòng)物之一,其在水下和陸上都具有優(yōu)異的運(yùn)動(dòng)能力。青蛙的水上泳姿能夠使其不費(fèi)力地長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng),而其陸上的跳躍功能為其帶來了強(qiáng)大的越障能力。

北京理工大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)通過觀察青蛙在水陸環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)模式,研制了一款仿青蛙形水陸兩棲機(jī)器人FroBot[16-17],如圖8 所示。該機(jī)器人的主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)為擺腿結(jié)構(gòu)。在陸上時(shí),擺腿結(jié)構(gòu)配合萬(wàn)向輪前進(jìn),車輪的交叉擺動(dòng)提供了向前的推力,如圖9 所示。在水中時(shí),擺腿結(jié)構(gòu)帶動(dòng)柔性的尾鰭驅(qū)動(dòng)機(jī)器人前進(jìn),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(jī)器人首部的胸鰭能夠?qū)崿F(xiàn)水下的俯仰和翻滾運(yùn)動(dòng),前舵輪能夠?qū)崿F(xiàn)陸上轉(zhuǎn)向。其陸上最大速度可達(dá)1 m/s,水上最大速度可達(dá)0.4 m/s。

圖8 北京理工大學(xué)FroBot 兩棲機(jī)器人Fig.8 Amphibious FroBot robot of Beijing Institute of Technology

圖9 FroBot 兩棲機(jī)器人陸上運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.9 Force analysis of FroBot on land motion

圖10 FroBot 兩棲機(jī)器人水中運(yùn)動(dòng)受力分析Fig.10 Force analysis of the FroBot in water motion

哈爾濱工業(yè)大學(xué)研制的仿青蛙機(jī)器人具有更靈活的控制結(jié)構(gòu)[18],如圖11（a）所示。該機(jī)器人軀干相對(duì)扁平,起到減小阻力的作用;腿部采用三連桿機(jī)構(gòu),相比于Frobot 更接近真實(shí)的青蛙腿部,如圖11（b）所示。通過內(nèi)置的小型氣泵和儲(chǔ)氣瓶驅(qū)動(dòng)仿青蛙機(jī)器人的腿部伸展與收縮,調(diào)整髖關(guān)節(jié)、膝關(guān)節(jié)和踝關(guān)節(jié)處的氣閥,從而有效控制腿部的運(yùn)動(dòng)軌跡。機(jī)器人在水中的最大游動(dòng)速度達(dá)到0.67 m/s,能夠依靠?jī)赏鹊牟钏賹?shí)現(xiàn)水中轉(zhuǎn)向。

圖11 哈爾濱工業(yè)大學(xué)仿青蛙機(jī)器人Fig.11 Bionic frog robot of Harbin Institute of Technology

仿青蛙機(jī)器人的難點(diǎn)在于腿部結(jié)構(gòu)和驅(qū)動(dòng)模式的設(shè)計(jì),其在水中的運(yùn)動(dòng)較為隱蔽,具備一定的負(fù)載能力,但陸上的跳躍功能較難實(shí)現(xiàn)。

1.3 仿烏龜兩棲機(jī)器人

烏龜是最古老的兩棲動(dòng)物之一,它在漫長(zhǎng)的進(jìn)化中發(fā)展出了集陸上水中運(yùn)動(dòng)于一體的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),對(duì)烏龜?shù)哪７鲁掷m(xù)了相當(dāng)長(zhǎng)的時(shí)間[19]。世界上公認(rèn)最早的移動(dòng)機(jī)器人就是誕生于1949 年的一對(duì)機(jī)械龜EImer 和Elisel,但受技術(shù)水平限制,在之后很長(zhǎng)一段時(shí)間內(nèi)對(duì)烏龜運(yùn)動(dòng)模式的模仿尚不充分。

美國(guó)耶魯大學(xué)最近研制出了一款仿烏龜形水陸兩棲機(jī)器人ART[20],如圖12 所示。該機(jī)器人結(jié)合了海龜和陸龜?shù)慕Y(jié)構(gòu)特點(diǎn),具有可變形的四肢,能夠根據(jù)環(huán)境調(diào)整四肢的形態(tài)和剛度。當(dāng)機(jī)器人在陸上運(yùn)動(dòng)時(shí),四肢頂端可彎曲成足式結(jié)構(gòu),能夠以各種步態(tài)在陸上行走;而當(dāng)機(jī)器人處于水中時(shí),其四肢變成鰭狀,能夠以類似海龜?shù)乃嫌咀艘苿?dòng)。機(jī)器人在肩部關(guān)節(jié)處設(shè)有3 個(gè)馬達(dá),可以進(jìn)行靈活的調(diào)整,實(shí)現(xiàn)水陸多種運(yùn)動(dòng)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(dòng)物的兩棲爬行機(jī)器人,能夠在陸上和水下爬行。如瑞士洛桑聯(lián)邦理工學(xué)院研制的仿蠑螈兩棲機(jī)器人Salamandra robotica II[21](圖13(a))、美國(guó)波士頓東北大學(xué)研制的仿龍蝦機(jī)器人Lobster[22-23](圖13(b))、韓國(guó)海洋科學(xué)技術(shù)院研發(fā)的仿螃蟹機(jī)器人Crabster[24](圖13(c))及中國(guó)科學(xué)院大學(xué)研發(fā)的仿海星兩棲機(jī)器人[25](圖13(d))等。這些機(jī)器人能夠在陸上和水底執(zhí)行作業(yè)任務(wù),但無法在水中游泳。

圖13 仿生兩棲爬行機(jī)器人Fig.13 Amphibious bionic crawling robots

2 模仿運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)類兩棲仿生機(jī)器人

除了模仿兩棲類動(dòng)物運(yùn)動(dòng)模式外,借鑒自然界生物運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu),并將其應(yīng)用于兩棲機(jī)器人設(shè)計(jì),也是常見的仿生學(xué)研究手段。典型的模仿對(duì)象有動(dòng)物的腿足結(jié)構(gòu)、魚鰭結(jié)構(gòu)和軟體驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu)。

2.1 仿腿足結(jié)構(gòu)兩棲機(jī)器人

模仿腿足結(jié)構(gòu)的兩棲機(jī)器人除了前文提到的單一腿式結(jié)構(gòu)以外,還有將腿足結(jié)構(gòu)和輪槳等結(jié)構(gòu)復(fù)合設(shè)計(jì)的多運(yùn)動(dòng)模式機(jī)器人。如哈爾濱工程大學(xué)的足槳式多模態(tài)兩棲機(jī)器人[26],如圖14 所示。該機(jī)器人憑借足槳復(fù)合機(jī)構(gòu)和可變形關(guān)節(jié),能夠在岸灘和水中快速移動(dòng)。在奔跑模式下,機(jī)器人的機(jī)體可以在變形驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)的控制下展平,電機(jī)切換為高力矩模式,機(jī)器人依靠足部的推進(jìn)能力實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng);在水中游動(dòng)模式下,機(jī)體折疊,螺旋槳角度調(diào)整為斜向上,電機(jī)切換為高速模式,驅(qū)動(dòng)螺旋槳快速轉(zhuǎn)動(dòng)提供水中動(dòng)力。

圖14 足槳式多模態(tài)兩棲機(jī)器人Fig.14 Foot-propeller multimode amphibious robot

中國(guó)科學(xué)院沈陽(yáng)自動(dòng)化研究所研制的輪-槳-腿一體化兩棲機(jī)器人同樣具備陸上爬行和水中游泳2 種運(yùn)動(dòng)模式[27],如圖15 所示。機(jī)器人的中間設(shè)有2 個(gè)側(cè)板驅(qū)動(dòng)裝置,在陸上爬行模式下,側(cè)板可以作為爬行腿,輔助越障;在水中游泳模式下,側(cè)板可以作為方向舵,控制機(jī)器人俯仰運(yùn)動(dòng)。機(jī)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(jī)器人Fig.15 Wheel-propeller-leg amphibious robot

國(guó)防科技大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)將輪腿2 種運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)相融合,設(shè)計(jì)出了一款可變構(gòu)型兩棲仿生機(jī)器人[28-29],如圖16 所示。該機(jī)器人將輪式、腿式和螺旋槳運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)高度集成并實(shí)現(xiàn)了動(dòng)力復(fù)用,能夠在水陸2 種工作模式下高效切換。該機(jī)器人不僅能在水陸工況下高速機(jī)動(dòng),還具備陸上的腿式越障和蛙式跳躍入水功能。

圖16 變構(gòu)型兩棲仿生機(jī)器人Fig.16 Variant configuration amphibious bionic robot

此外,球形兩棲仿生機(jī)器人也多采用腿式或輪式與噴水推進(jìn)相結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)機(jī)動(dòng),這類機(jī)器人具有體型小、透明性高、隱蔽性好、機(jī)動(dòng)靈活的特點(diǎn),在兩棲偵察、海底探測(cè)以及深?？瓶嫉阮I(lǐng)域具有一定的應(yīng)用價(jià)值[30-31]。

2.2 仿魚鰭結(jié)構(gòu)兩棲機(jī)器人

研究者們對(duì)于仿生魚的研究已經(jīng)持續(xù)了數(shù)十年的時(shí)間,美國(guó)麻省理工學(xué)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(jī)器魚領(lǐng)域國(guó)內(nèi)外均有大量成果涌現(xiàn)。2004 年,美國(guó)加州理工學(xué)院通過研究電鰻的鰭部結(jié)構(gòu),提出了一種仿生波動(dòng)鰭的設(shè)計(jì)思路[32],能夠在水中依靠長(zhǎng)波動(dòng)鰭的規(guī)律性起伏提供動(dòng)力。2015 年，美國(guó)海軍實(shí)驗(yàn)局聯(lián)合Pliant Energy Systems 公司共同開發(fā)的兩棲機(jī)器人Velox 采用了波動(dòng)鰭的設(shè)計(jì)[33],將波動(dòng)鰭的適用范圍拓展到了陸地上。Velox 兩側(cè)設(shè)有1 對(duì)波動(dòng)鰭,能夠憑借鰭的起伏運(yùn)動(dòng)在水中和陸上移動(dòng),如圖17 所示。

圖17 Velox 兩棲機(jī)器人Fig.17 Velox amphibious robot

目前,國(guó)內(nèi)的國(guó)防科技大學(xué)[34]、中國(guó)科學(xué)院大學(xué)[35]以及西安交通大學(xué)[33]等相關(guān)研究機(jī)構(gòu)均對(duì)此類構(gòu)型開展了研究。

2.3 仿軟體結(jié)構(gòu)兩棲機(jī)器人

隨著軟體驅(qū)動(dòng)技術(shù)的小型化和智能化,其在兩棲仿生機(jī)器人領(lǐng)域的應(yīng)用也日益成熟。仿生軟體結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)類似肌肉的驅(qū)動(dòng),更精確地模擬軟體生物的行為。北京大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)利用3D 打印技術(shù)設(shè)計(jì)了一種兩棲機(jī)器人的仿生驅(qū)動(dòng)關(guān)節(jié)[36],如圖18 所示。仿生關(guān)節(jié)由2 個(gè)氣囊組成,氣囊間的連接用于模擬關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng),能夠通過輸入電壓力的變化來控制關(guān)節(jié)的三維運(yùn)動(dòng)。

圖18 受烏龜啟發(fā)的軟體兩棲機(jī)器人Fig.18 A tortoise-inspired soft-amphibious robot

東京工業(yè)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)基于McKibben 型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器設(shè)計(jì)了一種軟體兩棲爬行機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)[37],如圖19 所示。該機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)由16 個(gè)McKibben 型氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)器組成,每個(gè)腿部結(jié)構(gòu)包含3 個(gè)驅(qū)動(dòng)器,身軀由4 個(gè)驅(qū)動(dòng)器控制,腿部和身軀的姿態(tài)通過不同的驅(qū)動(dòng)器組操控。該機(jī)器人能夠在陸上爬行并在水中以類似鰻魚的方式移動(dòng)。

圖19 基于McKibben 驅(qū)動(dòng)器的軟體兩棲機(jī)器人Fig.19 Soft-amphibious robot using McKibben actuator

美國(guó)坦普爾大學(xué)研制的氣動(dòng)軟體兩棲攀爬機(jī)器人能夠在地面和水下爬行[38],如圖20 所示。機(jī)器人以蠕動(dòng)方式在物體表面移動(dòng),兩端的軟附著力吸盤能夠形成可控的腔內(nèi)負(fù)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(jī)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(jī)器人的柔性驅(qū)動(dòng)結(jié)構(gòu),美國(guó)伊利諾伊大學(xué)和韓國(guó)漢陽(yáng)大學(xué)研究團(tuán)隊(duì)利用形狀記憶合金制作了一款模仿海豹運(yùn)動(dòng)的兩棲仿生機(jī)器人肌肉驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)[39],如圖21 所示。該機(jī)器人陸上每步能夠前進(jìn)20.1 mm,水下移動(dòng)速度達(dá)到18.8 mm/s。

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

相比于模仿運(yùn)動(dòng)模式類兩棲仿生機(jī)器人,模仿運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)更加靈活和高效,拋棄冗余設(shè)計(jì),將多種運(yùn)動(dòng)模式結(jié)合,為仿生機(jī)構(gòu)領(lǐng)域提供了更多的新思路。

3 水陸兩棲仿生機(jī)器人技術(shù)優(yōu)勢(shì)

隨著無人平臺(tái)技術(shù)的快速迭代和不斷升級(jí),其在復(fù)雜環(huán)境下執(zhí)行任務(wù)的效果相較于人類具有更加明顯的優(yōu)勢(shì)。具體優(yōu)勢(shì)表現(xiàn)為以下幾點(diǎn):

1) 降低作業(yè)人員面臨的風(fēng)險(xiǎn),減少人員傷亡。兩棲仿生機(jī)器人的作業(yè)任務(wù)都是在比較惡劣的環(huán)境條件下進(jìn)行的,地形復(fù)雜、涉水較深,人員難以活動(dòng)且容易出現(xiàn)傷亡。兩棲仿生機(jī)器人可由人員在遠(yuǎn)處遙控或自主執(zhí)行任務(wù),從而有效避免人員直接接觸危險(xiǎn)源,降低了風(fēng)險(xiǎn)。

2) 適應(yīng)復(fù)雜作業(yè)環(huán)境,具備高效的越障和跨域機(jī)動(dòng)能力。兩棲仿生機(jī)器人能夠根據(jù)作業(yè)環(huán)境的需要針對(duì)性地進(jìn)行結(jié)構(gòu)和功能設(shè)計(jì),不同的仿生行動(dòng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)能夠?yàn)闄C(jī)器人帶來不同的涉水能力和陸上通行能力,提高機(jī)器人的越障能力和跨域機(jī)動(dòng)能力。

3) 生產(chǎn)周期和成本可控,能夠大批量生產(chǎn)。機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)在于大批量生產(chǎn)的情況下成本可控。目前的兩棲仿生機(jī)器人多處于實(shí)驗(yàn)室研究階段,成本難以估計(jì)和控制,但只要技術(shù)成熟且應(yīng)用前景可觀，即可轉(zhuǎn)化生產(chǎn)、壓縮生產(chǎn)成本,從而進(jìn)一步促進(jìn)機(jī)器人的推廣應(yīng)用。

4) 平臺(tái)接口模塊化,可搭載不同任務(wù)載荷,執(zhí)行多樣化任務(wù)。兩棲仿生機(jī)器人在設(shè)計(jì)生產(chǎn)階段可以預(yù)留出通用的模塊化接口,搭載不同的探測(cè)設(shè)備和任務(wù)執(zhí)行設(shè)備,使其具備偵察、探測(cè)、搜救及巡檢等多樣化任務(wù)的執(zhí)行能力。

4 水陸兩棲仿生機(jī)器人應(yīng)用場(chǎng)景

水陸兩棲仿生機(jī)器人具備跨域的靈活機(jī)動(dòng)能力,能夠在復(fù)雜環(huán)境下完成偵察、探測(cè)、救援等危險(xiǎn)任務(wù),在軍事和民用領(lǐng)域都具有廣闊的應(yīng)用。以下列舉4 種典型的應(yīng)用場(chǎng)景。

1) 隱蔽偵察

水陸兩棲仿生機(jī)器人多采用仿生學(xué)的水下和陸上移動(dòng)方式,具有低噪聲、隱身性好的特點(diǎn),適合用來隱蔽偵察。在對(duì)目標(biāo)登陸地點(diǎn)的偵察行動(dòng)中,兩棲仿生機(jī)器人可在遠(yuǎn)離岸邊的水域由艦艇或者潛艇釋放,保持水中運(yùn)動(dòng)模式推進(jìn)至岸灘。上岸后,機(jī)器人根據(jù)需要切換為陸上運(yùn)動(dòng)模式,仿生地面推進(jìn)方式可以為兩棲機(jī)器人提供更強(qiáng)大的越障能力。在抵達(dá)目標(biāo)區(qū)域后,機(jī)器人可以通過搭載的探測(cè)設(shè)備對(duì)周圍區(qū)域進(jìn)行偵察探測(cè),并將收集到的信息回傳給指揮控制平臺(tái)。完成任務(wù)后,機(jī)器人可以返回釋放點(diǎn)或潛伏下水等待回收。

2) 特種突襲

在現(xiàn)代化的戰(zhàn)爭(zhēng)模式中,特種突襲成為毀傷敵方作戰(zhàn)裝備,打擊敵方有生力量的重要方式。以目前正在進(jìn)行的俄烏戰(zhàn)爭(zhēng)為例,單兵攜行武器和小型無人裝備的突襲往往能夠?qū)Υ笮偷臄撤窖b甲車輛和武器設(shè)施造成毀滅性的打擊。因此大力發(fā)展小型無人化突襲機(jī)器人,能夠在戰(zhàn)場(chǎng)上起到以小博大的效果。水陸兩棲仿生機(jī)器人能夠設(shè)計(jì)成一次性使用的突襲裝備,搭載爆破裝備和引導(dǎo)打擊裝置。依靠其隱蔽性和小型化特性潛入目標(biāo)對(duì)象附近后,引爆身上的炸藥打擊敵方設(shè)施,或可由激光制導(dǎo)設(shè)備引導(dǎo)后方火力覆蓋摧毀目標(biāo)。

3) 自主岸防

我國(guó)海岸線漫長(zhǎng),海島眾多,存在大量遺留的海島爭(zhēng)端問題。為了更好地守護(hù)我國(guó)的領(lǐng)土和領(lǐng)海,需要大量的先進(jìn)兩棲設(shè)備來加強(qiáng)岸防力量。水陸兩棲仿生機(jī)器人能夠在岸邊和近岸水域巡邏,彌補(bǔ)了巡邏值守人力不足的問題。仿生結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如波浪鰭結(jié)構(gòu)能夠讓機(jī)器人以更少的能耗完成移動(dòng),適用于長(zhǎng)期定域巡航;腿槳式結(jié)構(gòu)仿生機(jī)器人擁有更快的移動(dòng)速度,適用于快速響應(yīng)緊急情況。在惡劣天氣和海況下,仿生兩棲機(jī)器人具備更強(qiáng)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(huán)境適應(yīng)性。

4) 應(yīng)急救援

在地震、洪水等自然災(zāi)害中,復(fù)雜的地形環(huán)境和水障礙往往成為阻礙救援任務(wù)進(jìn)行的關(guān)鍵,需要耗費(fèi)寶貴的救援時(shí)間來開辟道路。兩棲仿生機(jī)器人能夠憑借其強(qiáng)大的越障能力和涉水能力穿越復(fù)雜的地形環(huán)境,在受災(zāi)地區(qū)執(zhí)行探測(cè)、救援、物資運(yùn)輸?shù)热蝿?wù)。仿蛇形機(jī)器人具有穿越狹小空間的能力,能夠在狹小通道內(nèi)穿行,更為高效地感知救援環(huán)境和被困人員的狀態(tài),豐富救援手段。

5 結(jié)束語(yǔ)

水陸兩棲仿生機(jī)器人遵循從自然界中獲取靈感的機(jī)器人設(shè)計(jì)思路，擁有多樣化的結(jié)構(gòu)和功能。文中將其分為模仿運(yùn)動(dòng)模式類和模仿運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)類。前者的運(yùn)動(dòng)模式更加成熟和穩(wěn)定，能夠執(zhí)行特殊條件下的任務(wù)，功能的針對(duì)性更強(qiáng)；后者的結(jié)構(gòu)功能更加靈活可控，可擴(kuò)展性較好，在復(fù)雜地形環(huán)境下的適應(yīng)性更強(qiáng)。

目前，由于設(shè)計(jì)、制造、控制等方面的限制，水陸兩棲機(jī)器人的研究還處于實(shí)驗(yàn)室試制階段，無法形成量產(chǎn)應(yīng)用。因此，未來需要在結(jié)構(gòu)、材料、控制架構(gòu)等方面深入探索，實(shí)現(xiàn)關(guān)鍵技術(shù)的突破，為水陸兩棲仿生機(jī)器人的大規(guī)模量產(chǎn)和推廣應(yīng)用打下良好的理論和工程基礎(chǔ)。