仿生两栖作业机器人关键技术研究

Amphibious robots have many potential applications, but the practical usages require research on the problems of amphibious driving mechanism, navigation, and multi-robot cooperation in the complex amphibious environments. To address these problems, our project will study the following subjects. First, the interaction between the driving mechanism and the soft mediums like sediment will be studied, to obtain optimal shape, structure and motion parameters of the driving mechanism. Second, in order to make the amphibious robot with high mobility on land, water and multi-medium environments simultaneously, composite flexible driving mechanism with simplicity and efficiency will be studied. Third, the automatic identification on the types and parameters of amphibious environments will be studied, to make the robot switch its gait autonomously and improve its moving speed and trafficability. Forth, the simultaneous localization and mapping with multiple sensors in the complex land-water-switching amphibious environments will be studied, as well as the problem of trajectory planning and tracking control of the robot. Finally, for the demands of high productivity, the architecture and algorithms for multiple amphibious robots' cooperation will be studied, and the solutions for multi-objective optimization, dynamic conflicts and self-organization communication will be studied in details. The project is proposed according to the sustained and increased demands of robotics and biomimetic technologies in China. The research will be of significance to the development of core technology in amphibious robot for China.

水陆两栖机器人具有广阔应用前景，但是要走向实际应用，还需解决两栖推进机理、野外导航以及两栖集群作业等问题。针对这些问题，本课题拟开展如下研究：（1）研究移动机构与泥沙等松软介质作用机理，获取优化的移动机构形态、结构和运动参数；（2）研究简单有效的复合柔性推进机构，使之同时具备陆地、水中以及过渡环境松软介质等多介质复杂环境的高性能移动能力；（3）研究两栖环境介质类别及参数自主识别方法，实现机器人自主步态切换控制，提升两栖机器人的速度和通过性；（4）面向复杂的野外两栖作业环境，解决水陆切换环境下的多传感器融合同步定位与环境建图问题，以及解决两栖机器人在复杂地形下的轨迹规划和跟踪控制问题；（5）面向大规模集群作业需求，设计两栖机器人协同体系结构及算法，解决任务（重）规划多目标优化、动态冲突以及自组织通讯问题。本课题的开展对于我国掌握两栖机器人核心技术具有重要的意义。

水陆两栖机器人是近年来机器人热门研究领域之一，在洪涝抢险救灾、环境保护、养殖水产和军事等方面具有广阔应用前景。但是，水陆两栖机器人要实现在水陆两栖地带进行自主作业，需要解决两栖推进机理不清晰、水陆复合推进机构优化方法缺失、和野外复杂因素严重影响导航性能等诸多挑战。针对这些问题，本课题开展了移动机构与泥沙等松软介质作用机理、复合柔性推进机构、两栖环境介质类别及参数自主识别方法、多传感器融合同步定位与环境建图、两栖机器人轨迹规划和跟踪控制、两栖机器人协同算法等方面的研究，搭建了基于动力学引擎的仿真平台、两栖机器人实验平台以及3款样机系统等，建立了相关样机系统的运动学、动力学和感知模型，利用深度学习、机器学习、多目标优化、多模态感知、Kalman滤波、非线性优化、视觉伺服等方法论，建立了基于仿生柔性腿的两栖机器人与介质环境作用模型，设计了高机动性多足小型两栖仿生机构，提出了基于电机扭矩自感知特性的触地检测技术、基于触觉感知和视觉深度神经网络的环境介质识别技术、基于地形感知的自适应步态控制技术、面向复杂光照条件的两栖机器人视觉惯性里程计技术、野外环境下两栖机器人主动视觉定位技术、基于多模态信息融合的全天时SLAM技术、基于三维激光增稠机构的多帧融合和目标检测技术、基于边境栅格视角规划和多传感器融合位姿估计的主动重建技术、野外环境两栖机器人轨迹跟踪技术以及野外机器人自主通讯组网技术等10项技术，通过仿真和实验验证了这些技术的有效性，突破了两栖跨介质穿越机构和野外环境导航等核心关键技术，填补了两栖机器人机构设计与导航技术的空白，达到了国际先进水平，为实现两栖机器人救灾、探索等任务的自主作业奠定了重要的理论和方法基础，通过进一步的研究和工程实现，将为推动两栖机器人实际应用迈出坚实一步。