两栖机器人行进机构与过渡环境中松软介质相互作用机理研究

Field robots have been applied in various areas in recent years. Amphibious robots need a high locomotory performance in passing through terrain and underwater. Furthermore, they must pass through soft substrate such as sand and mud, which is common in transition zone. In the project, we focus on the interaction between the transform locomotor of an amphibious robot, amphibhex-I, and the soft substrate in transition zone. The constitute equation of granular media and non-Newton fluid are developed first, and the emperical models on the softsubstrate-locomotor dynamics can be derived, then the mophological, structural and kinematic parameters of the lolomotor are studied and optimized with simulation and experimental platform. The amphibious robot with a high locomotory performance cound be developed, which can be applied in military reconnaissance, searching in disaster area, prospector, polution detection and biology research in complex encironment.

水陆两栖机器人需同时具备陆地和水中的行进能力、而且可通过沙滩以及沼泽等松软介质过渡环境，进行有效地水陆行进方式转换，因此高效的复合行进机构和松软介质通过能力是两栖机器人研究的两个重要标准。本项目基于两栖机器人主动变形复合行进机构设计，针对机器人的行进机构与过渡环境中松软介质(沙和泥土)的相互作用机理进行研究。通过对颗粒流（沙）和非牛顿流体（泥）的力学特性进行本构建模，对可主动及被动变形的弧形腿行进机构在松软介质中运动的动力学行为进行理论建模、数值分析和模型实验研究，进而可获得优化的机器人的行走机构的形态、结构和运动参数。该研究可提高水陆两栖机器人在过渡环境中的适应性和通过性，使两栖机器人进行有效的登陆和入水行为。同时具备陆地、水下以及过渡环境中高行进性能的两栖机器人在军事侦察作战、救灾、勘探、污染探测、以及生物研究等诸多领域有广阔的应用前景。

近年来，水陆两栖机器人由于其具备水下，陆地和水陆过渡地带等多种地形中的通过能力受到了广泛的关注，但由于其工作环境差异很大，两栖机器人的推进机构需具备多种地形的适应性。目前国际上存在多种两栖机器人推进方式，但是都没有被广泛实用，因此，本研究基于推进机构与环境相互作用机理的研究基础上，研发了多种新式的两栖机器人推进机构，包括可变形C型腿，全柔性腿，基于智能材料的变刚度腿，轮鳍一体的复合腿等，并且对这些推进机构进行了完整的性能评估，主要包含以下几个方面：1. 对推进机构本身的力学行为进行理论建模，预测在不同环境下的受力及变形；2. 搭建了室内单腿实验平台，能够模拟不同的地形，用于测试单腿在模拟环境下的推进性能，诸如速度，效率，稳定性等；3. 搭建了两代两栖机器人平台，密闭的防水设计保障了水下和潮湿环境中的正常运行。第一代主要用于测试可变形状C型腿的两栖性能，第二代用于测试全柔性腿和轮鳍一体推进机构。研究结果表明：1. 设计的各类腿型均能作为两栖机器人的推进机构，具备不同的特点，足够用来应付不同的目标和情况； 2. 理论建模和室内单腿实验结果能够互相呼应，说明所采用的理论可以用来指导腿型的优化和设计； 3. 可变C型腿虽然对水下和陆地的适应性都很好，但是过于复杂，增加了硬件成本，相比之下，轮鳍一体的推进机构结构简单可靠，但是水下推进能力稍为不足，而全柔性腿水下推进能力突出，形式也足够简单，但是陆地上会使得机器人的步态不稳定。基于智能材料的推进机构进入试验阶段，期望能够满在机构简单可靠的同时水陆推进能力都有突出的进步。目前得到关键数据主要包括各类腿型的理论仿真结果，室内单腿实验平台推进性能评估，两栖机器人野外各类地形下的运动数据。本研究已发表SCI论文13篇，获得授权发明专利5项，实用新型10项，另外还有多项专利实申中。本研究内容新颖独到，覆盖面广而不失重点，促进了两栖机器人推进机构理论研究和机构设计的发展和创新。