顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m

作者：bilibili 发布时间：2023-11-17 点击数：

AI摘要

说到水下潜航器，大家可能会想到现实世界中各种不同的潜艇，或者联想到科幻电影中能在海底自由穿梭的仿生水下潜航器。 data-backh="225" data-backw="400" data-imgfi

摘要由作者通过智能技术生成

说到水下潜航器，大家可能会想到现实世界中各种不同的潜艇，或者联想到科幻电影中能在海底自由穿梭的仿生水下潜航器。

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图1) data-backh="225" data-backw="400" data-imgfileid="502853722" data-ratio="0.5625" data-s="300,640" data-type="gif" data-w="400">

图1

这些大型航行器广泛应用于海洋勘探和军事装备等领域，设计使其在空旷平静的海域以巡航速度行驶时经济高效。然而，其机动控制能力依赖于流体在操控舵面上产生的升力，因此在低速下难以机动，碰撞后果严重。此外，其尾迹会产生大量大带宽的噪声，破坏水下生态系统。

海洋中一些生物具有高机动性和高灵活性，例如海洋拳击手螳螂虾，它们能够利用强大的前鳌产生像子弹一样的拳速击晕猎物。同时，由于它们平坦且可弯曲的身体结构和多腹足布局，其最高速度能够达到每秒30个身长。

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图2)

图2螳螂虾捕食章鱼的过程

▍受螳螂虾启发的水下机器人

受到螳螂虾的启发，浙江理工大学等机构设计了一款类似的水下机器人。该机器人主要由10个刚性柔性游泳足（腹足）用于游泳推进和1个绳驱动柔性脊柱用于身体弯曲组成，可以分为头部、柔性躯干、仿生多足类和尾节4个部分。

机器人的头部是一个内置控制器，固定在碳纤维底座上。柔性驱干由钢丝绳、硅胶脊柱和5个推进部分组成。仿生多足由3D印刷的弹性硅胶薄膜制成，用螺丝固定在一边。尾节也是由3D打印制成，连接在弹性脊柱的末端，以固定钢丝绳，并用浮力材料固定。

研究中提出的适用于多足动物耦合运动中央模式发生器控制器，使机器人的最大游动速度可达0.28 m/s，最小转弯半径为0.36 m。该研究成果以Design and Control of a Novel Bionic Mantis Shrimp Robot为题刊登在IEEE/ASME TRANSACTIONS ON MECHATRONICS期刊上。

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图3) data-imgfileid="502853726" data-ratio="0.8638888888888889" data-s="300,640" data-type="png" data-w="1080">

图3仿生螳螂虾机器人设计与结构

▍机器人的运动：游泳步态规划

仿生多足机器人具有体积小、环境适应性强和灵活性高等特点，可以代替人类完成危险作业，如探索狭窄空间等未知环境。为了实现在这些环境中的灵活运动，机器人需要具备螳螂虾的多体节的弯曲旋转和多腹足运动等功能。

在自然界中，螳螂虾等动物主要通过推进状态和恢复状态进行运动。这种状态不仅能提供更大的正向推进力，还能减少恢复时受到的正向阻力。同时，机器人的弯曲转向可以通过转向伺服装置和绳索牵引装置来实现。钢丝绳从转向伺服器开始，逐个通过推进段，最后固定在末端。当转向伺服系统旋转时，它可以驱动硅胶脊柱弯曲，实现转弯运动。

为了更好地模拟螳螂虾的运动，研究人员观察了螳螂虾在水中游动的视频，并对其逐帧进行分析。他们建立了多足游泳腹足摆动步态模型，并对步态的多足摆角进行了拟合。拟合结果如图4所示。

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图4) data-imgfileid="502853727" data-ratio="0.46944444444444444" data-s="300,640" data-type="png" data-w="1080">

图4螳螂虾的多足运动轨迹曲线拟合

▍机器人的大脑：中枢CPG控制器

螳螂虾主要依靠其多足的周期性运动和驱干的屈伸来游泳。为了模拟这种运动，控制器的设计是关键。中枢模式发生器（CPGs）是存在于无脊椎动物和脊椎动物体内的神经系统，能够控制神经活动的周期性模式，从而产生协调的节律运动。

本文所设计的仿生螳螂虾机器人具有10个独立且可控的仿生足以及一个基于绳驱动的柔性脊柱。由于CPG振荡器主要用于调制单个关节的周期性运动信号，本文根据上述游泳步态规划提出了一种CPG振荡器模型，如图5所示。

该模型的拓扑结构由6个相互耦合的振荡器组成。其中，CPG-1至CPG-5负责调控仿生多足的节律运动，而CPG-6则承担着操控机器人转向伺服的功能。通过调整网络的输出参数，可以匹配仿生多足的运动特性，从而实现直线游动和转弯伺服运动模式，如图6和图7所示。

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图5) data-imgfileid="502853728" data-ratio="0.6314814814814815" data-s="300,640" data-type="png" data-w="1080">

图5用于螳螂虾控制的CPG网络及运动输出

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图6) data-imgfileid="502853729" data-ratio="0.483065953654189" data-s="300,640" data-type="png" data-w="561">

图6螳螂虾的直线运动

顶刊发表！浙江理工仿螳螂虾机器人最大游速0.28 m/s，最小转弯半径0.36 m(图7) data-imgfileid="502853730" data-ratio="0.6324074074074074" data-s="300,640" data-type="jpeg" data-w="1080">