憑藉足槳可變型關節和多模態驅動，機器人可在沙灘和水下智能切換奔跑模式和遊動模式，完美解決了機器人在淺灘環境中敏捷遊動和快速奔跑的業界難題。這就是哈爾濱工程大學王剛副教授科研團隊的最新研究成果——足槳式多模態水陸兩棲機器人，日前，機器人領域國際頂級期刊《IEEE機器人學彙刊》在線發表了這一科研成果。這是記者7月8日從哈爾濱工程大學獲悉的。
科技日報記者 李麗雲 通訊員 朱虹
這款水陸兩棲機器人在顆粒介質地面能夠達到4倍體長/秒的奔跑速度，達到同類型機器人的領先水平，實現了從問題提出、理論突破到技術成果落地的跨越。
該論文由哈爾濱工程大學水下機器人技術國家級重點實驗室獨立完成，王剛副教授為論文的通訊作者，哈爾濱工程大學博士研究生馬鑫盟和劉開鑫為共同第一作者。
提出新思路，系統化繁為簡
兩棲機器人的研究一直是機器人領域的熱點之一，為了在海陸兩種不同的介質中運動，大部分兩棲機器人既有輪子又有螺旋槳，但由於環境介質密度相差巨大，尤其在連接海洋和陸地的淺灘，浪流擾動劇烈，地面乾濕顆粒力學特性存在很大不同，這樣的構型不利於機器人敏捷運動。
王剛團隊提出了一種足槳式多模態水陸兩棲機器人方案，為兩棲機器人方案設計提供了一種新思路。通過推進裝置的獨特構型和參數優化方法，將足槳自身的多模式推進能力與機體的變型能力相結合，實現了機器人在兩棲環境下的運動模態切換，降低了機器人系統的複雜程度，同時滿足水中、陸上兩種完全不同環境下對於敏捷運動的需求，解決了傳統方法將爬游功能疊加造成的運動性能不敏捷、作業效率低的難題。
機器人的主要組成部分及運動模態切換方式介紹
機器人由可變形機體框架、變型驅動關節、控制艙、電池倉、足槳驅動裝置組成。在奔跑模式下，機體在變型驅動關節的驅動下展平，足槳驅動關節以低速模式驅動足槳，機器人依靠足部的推進能力在海底或沙灘奔跑；在遊動模式下，機體在變型驅動關節的驅動下摺疊，足槳驅動關節以高速模式驅動足槳，機器人依靠槳的推進能力在水面、水中遊動。首次實現機器人在水面、水中、水下遊動，並能在沙灘快速奔跑。
奔跑速度優秀，各種環境所向披靡
做真科研，讓科研成果落地是團隊奮鬥的目標，團隊研發的機器人並非實驗室的模型，無論是石地、草地、沙灘，還是水底、水中、水面，機器人都表現出了比同類機器人更優越的運動能力和負載能力，“體能測試”十分優異。
足槳式多模態水陸兩棲機器人憑藉獨特的構型，水下陸上均能實現高速運動。團隊通過彈性剛體-顆粒介質-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程的運動參數進行優化，極大地提高了其在沙灘和海底的運動能力。
採用多傳感器感知和信息融合技術，機器人可自動識別當前的環境並調整運動模式。與同類機器人相比，在已公開發表的研究成果中，該機器人在顆粒介質地面奔跑速度可達到4倍體長/秒，是目前同類型機器人中運動速度最快的。
大部分兩棲機器人下水后懸浮於水中，而該機器人入水后處於負浮力狀態，可直接沉入海底，這為機器人在海底工作提供了優越條件。
在海底時，機器人遇到大面積水草、珊瑚礁，直接穿過必然會造成一定生態破壞，此時機器人由爬行狀態切換為遊動狀態，身體摺疊同時足槳驅動關節切換為高速轉動模式，形似空中的四旋翼構型，針對這個構型團隊開發的控制算法讓機器人實現了水中多自由度運動。
機器人自身高度僅為0.22米，當小巧玲瓏的它緊貼海底時，比懸浮式機器人受水流影響更小，作業更穩定，當切換為遊動模態時，在水中能夠敏捷地在各類障礙物中穿梭。
此外，藉助遊動模式，機器人可在運動水面附近接收定位與通訊信號，對自己的位置信息進行校準，這對於兩棲機器人來講是十分必要的能力，因為在淺水環境中的定位和通訊都是行業難題。
研發團隊平均年齡26歲
這支機器人研發團隊十分年輕，除了王剛副教授，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。
王剛表示，研究成果能夠在行業頂級期刊發表，代表了團隊的研究方向、制定研究思路、機器人的研製和試驗結果等方面獲得了業內認可。更有意義的是，見證了參與研究的每位研究生同學的成長。
想要完成一個具有優異性能的機器人，需要團隊在系統集成、智能控制、環境感知等方面都不能有短板，在兩棲機器人研發過程中，在機器人的重量與負載能力、陸上與水下介質受力差異、快速性與操縱性等各種關係中尋找平衡點是研發過程中的最大瓶頸。
團隊在研究過程中發現，從陸到水整個過程中的顆粒介質力學特性不同，而現有理論都是以干顆粒為研究對象，濕顆粒研究成果寥寥無幾。沒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交互過程的力學性質入手，這是一個漫長的過程，歷時兩年才初見成果。通過建立機器人在沙灘和海底奔跑過程的動態阻力模型，實現了對機器人在顆粒介質地面奔跑過程的預測和參數優化；藉助計算流體力學、離散元和多體動力學耦合仿真等方法，完成了機器人的設計和優化過程。雖然從頭開始的過程將研究周期拉長，但在這個過程中，同學們迅速成長起來。如今，這個僅有9人的團隊，從設計到裝配，從接線到調試，從編程到試驗的各個流程都有“專家”。
團隊成員馬鑫盟說：“王剛老師一直要求我們要從實際需求出發做科研，注重基礎理論研究，做好基礎理論與實際應用的結合，產出有實際意義的科研成果。”
王剛表示，該成果是對團隊過去探索過程的一次回顧，希望通過這篇論文起到一定的示範作用，在應用實踐中找到真問題，靜下心來腳踏實地解決它，一定會有好的結果產出。未來團隊將針對機器人在兩棲環境運動過程中的基礎力學理論繼續深入研究，為提高機器人的智能化水平不懈努力。
該團隊所依託的哈爾濱工程大學水下機器人技術國家級重點實驗室，成立於2002年，奠基人為中國工程院院士徐玉如教授。實驗室以水下機器人、水面無人艇等海洋無人系統為研究對象，先後獲得國家科學技術獎4項，省部級科學技術獎30餘項，是國家級科技創新團隊。實驗室固定人員80餘人，擁有國家級領軍人才、拔尖人才等一批中青年學術帶頭人。在讀碩博研究生300餘人。實驗室依託的船舶與海洋工程學科，是國家”雙一流”建設學科，教育部評估A+學科，是我國船海領域的科學研究和人才培養基地。以實驗室成立國內第一個“海洋機器人”專業，負責該專業本碩博貫通高層次人才培養，是全國教育系統先進集體。
（哈工程供圖）