两栖类仿生机器人研究现状及发展前景

两栖机器人是新世纪科学技术发展的产物，通常集成了空中飞行、地面移动、水中巡游中的两种运动能力，不仅具备在两种领域的作业能力，还能够根据任务需求适时切换，实现跨域作业，极大地提升了机器人的应用潜力。本文从陆空两栖、水空两栖、水陆两栖三个方面介绍了两栖类仿生机器人的国内外研究现状，分析了各类两栖机器人的特点，并对当前两栖机器人存在的问题进行了总结。

作者：

高良 哈尔滨工业大学机器人研究所助理研究员

高靖松 哈尔滨工业大学机器人研究所博士生

许威 中兵智能创新研究院有限公司研究员

赵杰 哈尔滨工业大学机器人研究所教授

人类生存的环境由水陆空三个领域组成，人类开发了多种多样的工具或机器人，分别用于对水陆空三域进行探索，如汽车、轮船、飞机，以及足式机器人、机器鱼、仿鸟机器人等。但是这些工具或机器人只具备单一的水中、地面、空中运动模式，无法适应多变复杂的环境和任务需求。地面移动机器人无法通过碎石、沟壑、较深的水面等特殊地形。飞行机器人易受风影响，稳定性不足，且无法近距离对目标进行长时间定点监测，一旦降落便失去了行动能力。水下机器人只能实现水中运动，无法实现从水域到野外陆地或空域的复杂跨域运动。而自然界的进化造就了很多让我们可以借鉴的灵感。红嘴鹤既可以在地面上快速奔跑，又能在空中肆意翱翔，我们熟知的青蛙、大鲵、乌龟等动物，都是既能在陆地生活，又是游泳能手，还能在水底潜伏、爬行。在会飞行的鸟类里，海雀具有非常优秀的潜水能力，能够快速潜到五十米水深捕获猎物。因此，随着社会发展和技术进步，具备跨域能力的多能机器人应运而生，摆脱了传统机器人单一运动能力的局限性，可应用于消防救援、海洋探测等各个领域，并逐渐成为国内外研究热点。当前，按照跨媒介的不同，可以分为陆空两栖机器人、水空两栖机器人，以及水陆两栖机器人。

陆空两栖机器人研究现状及分析

国内外研究现状

陆空两栖机器人结合了地面移动机器人和飞行机器人的优点，既能够在地面平稳运动，减小能量消耗，提升续航时间，也能够自主切换为飞行运动模式，不受地形限制起飞，快速到达任务地点，特别适用于复杂环境检测、高空救援、物资运输等任务。

早期的陆空两栖机器人研究主要集中在民用领域，即通常所说的“飞行汽车”，能够在空中飞行或在陆地上行驶。世界首辆飞行汽车Transition于2009年3月初在美国实现了首飞，降落后只需按下按钮即可将机翼折叠，驶上高速公路。丹佛万豪科技中心研发的陆空两栖机器人采用六旋翼的飞行模式，在飞行器外侧设置了两个巨大的车轮实现地面移动，整机质量0.125kg，空中可负载0.023kg，地面上可负载0.012kg；美国机器人研究公司新研制的“飞马”可变形陆空两栖机器人采用履带式地面移动模式，整体质量0.45kg，有效载荷1.8kg，最大飞行速度达84km/h，最大行驶速度达4.8km/h；清华大学车辆与运载学院教授、中国工程院院士李骏团队，成功研制第一代清华猛狮陆空两栖自主驾驶飞车，该车辆全称为旋翼式陆空两栖智能飞行车辆，是全球首款集成智能驾驶功能的纯电动旋翼式无人驾驶飞行车辆。

为了进一步提高飞行系统与地面移动系统间的融合效果，国内外学者进行了大量的相关研究。伊利诺理工大学设计的混合型陆地空中飞行器 HyTAQ，类似包裹在笼子中的四旋翼，动力由四旋翼机构提供，外部的笼子通过铰链与四旋翼的中心轴线连接，起到车轮的作用；加州理工大学开发的Drivocopter陆空两栖机器人采用共轴双桨四旋翼的模式实现飞行，同时将四轮设置在桨叶外部，实现了地面移动功能，也实现了降落过程中的缓冲作用；以色列开发的新机型机器人FStar在螺旋桨臂的另一侧装备了一组可移动的轮子，使FStar能够在地面上灵活移动，同时还具有高度调整功能；东京大学研制的海陆空三栖机器人“MUWA”看上去像自行车轮子，可以在地面上滚动，可以以四旋翼模式在空中飞行，还可以漂浮在水面上。

研究人员也提出了一些更加大胆的陆空两栖机器人想法，并进行了实践。美国东北大学研发的LEONARDO机器人，将四旋翼与双足机器人结合，高度约0.8m，整体质量仅为2.7kg，在地面行走过程中通过四旋翼进行辅助稳定，实现双足步态；美国斯坦福大学研制了一款将机器人爪子组 装到四旋翼上两栖机器人SNAG，该机器人可以像鸟一样在树上栖息或抓取物品；瑞士洛桑联邦理工学院仿蝙蝠机器人DALER，在地面移动过程中通过翅膀的转动实现行走功能；广东工业大学的研发团队开发了一种双足机器人Jet-HR2，该机器人通过嵌入脚部的小型涵道风扇，在行走时改变重心来保持平衡。

发展动态分析

纵览国内外研究现状可以看出，国内外研究人员研发了形式各样的陆空两栖机器人，取得了一些代表性的成果。围绕实现原理、构型设计、运动方式等方面形成了初步的理论体系及技术应用。而随着机器人技术发展，陆空两栖机器人的应用对灵活性、地形适应性、负载能力、机动性、续航能力等性能，都提出了更高的要求。因此，如何提升陆空两栖机器人的性能并促进其应用，成为了陆空两栖机器人后续发展面临的挑战。

目前的两栖机器人多以旋翼结合轮式移动的方式为主，可以实现独立飞行运动与独立地面运动。轮式移动平台虽然负载能力强，但是对复杂地形的适应性较差，且在大负载情况下常规螺旋桨动力尺寸大，会限制陆空两栖机器人的活动空间及运动灵活性，因此小体积高推重比的动力需求是陆空两栖机器人所亟需的。此外，目前陆空两栖机器人的模式切换方法大多采用人力控制或直接的指令控制方式，机器人的飞行模式和地面移动模式是相互独立的，并没有形成配合，这在一定程度上造成了资源浪费，也限制了陆空两栖机器人的性能。而开展陆空两栖机器人陆空协同运动，可以在很大程度提升机器人的极限负载、运动能力，及起降稳定性，具有重要的研究价值。

水空两栖机器人研究现状及分析

国内外研究现状

水空两栖机器人是一类兼具空中、水下移动与作业能力的机器人，融合了水下机器人和无人机的优势，并且能够突破水空两域的物理界限，实现跨域作业，应用潜力巨大。水空两栖机器人不仅可以潜入水中，实现水域的立体感知，提高作业覆盖范围，还可以通过飞行提高移动速度和扩大作业范围，提升部署与撤离效率。近年来，随着水空两栖机器人需求的日益增长，以及无人机系统技术的进步，使得各种各样的水空两栖机器人变得可行，集无人机和水下机器人一体的水空两栖机器人层出不穷。

早期，大多数研究人员对于水空两栖机器人的研究主要集中在动物水空适应机制的探索上，将更多的精力投入到生物学机理与仿生的设计原则。通过对国内外研究现状的调研和分析，可以根据设计理念将现有的水空两栖机器人分为飞行航行器与水下飞行器两类。

飞行航行器作为最早的水空两栖机器人，由于当时对潜艇的熟悉程度远高于飞行器，因此飞行航行器更接近潜艇。1934年，苏联海军工程学院的 Ushakov首次将水空两栖机器人的概念付诸于工程实践，提出了一种载人水空两栖机器人LPL。LPL原型机采用三台航空发动机用于空中飞行，水下采用两台电动螺旋桨提供推力，同时装载了类似于水上飞机漂浮碗的装置，以实现入水动作。1962年，北美航空公司的工程师Reid设计的水 空两栖无人机RFS-1，实现了人类历史上第一次跨介质飞行。但为了实现浸没入水，RFS-1整个座舱是浸水的，需要潜水员自主携带呼吸设备。同时，下潜之前需要手动拆卸螺旋桨并密封发动机，依赖于大量的人工操作。20世纪60年代，美国海军设想了一种高度隐蔽的水空两栖机器人 CONVAIR，采用窄体水翼的形式，由三台涡轮喷气式发动机提供空中动力，电动螺旋桨用于水下动力。在机翼和机身处设置压载舱实现潜水和漂浮运动，进而实现水空过渡。

水下飞行器是一种可以像潜艇一样潜入水中的飞行，随着对飞行技术研究的深入，涌现出了各种各样的新型水下飞行器，根据机翼形式的不同可以分为以下五种。基于固定翼结构的载人水下飞行器，其机翼结构具有翼身融合的优势，可以显著提高升力和燃油效率，奥本大学的Crouse、美国海军水面作战中心等均采用该理念设计机器人，但需要设计密度调节机构以实现出入水运动。多旋翼式飞行器适用于低空、低速、垂直起降、悬停等任务，充分利用多个螺旋桨的动力可以实现较大的推重比，通过移除空心舱可以解决机器人的密度问题，通过控制旋翼的转速调节阻力和阻力矩，从而在出入水的过程中实现更好的机动性，南里奥格兰德州联邦大学、罗格斯大学、北京航空航天大学等单位均验证了其可行性。组合翼式水下飞行器的代表性成果来自上海交通大学，在悬停与垂直起降过程中利用螺旋桨抵消重力，飞行过程中利用螺旋桨提供拉力，固定翼抵消重力，水下巡航利用机身前部的LPB装置调节浮力和重心，以实现水下运动。扑翼式水下飞行器于2015年诞生于哈佛微型机器人实验室，整机质量仅有 80mg，翼拍频率为120Hz～260Hz，通过安装爆破气体集气室克服水的表面张力，最终实现了机器人的出水动作。后掠翼的设计灵感来自于塘鹅的俯冲捕食行为，具有快速入水的优势；空中利用螺旋桨并扩展机翼以获得足够的升力，入水时将机翼掠回以减小入水阻力，潜入水中后调整自身密度以接近水，使浮力抵消重力以适应水下移动。

发展动态分析

随着隐身突防、情报侦察、水下救援等多种应用场景对机器人提出了愈发严苛的需求，水空两栖机器人需要从运动能力、负载能力，以及任务适应性等方面全面提升。运动能力方面，后掠翼是唯一在飞行、水下巡航和出入水四个阶段均表现良好的方式；载荷方面，固定翼、组合翼、后掠翼，以及扩展翼均具有较高的负载能力；另外，后掠翼在任务适应性方面具有最大的应用潜力。

除此之外，在技术挑战方面，目前水空两栖机器人面临的难点主要集中在水-气兼容性、入水运动和出水运动三个方面。首先，采用变形机翼、变形叶片和变密度技术，可以更好地实现水-气兼容性；其次，入水运动可以通过模仿塘鹅的突降行为及其弹性羽毛和气囊缓冲实现；最后，可以通过模仿飞鱼的发射起飞行为和水禽疏水羽毛的表面脱水机理或主动脱水的方法，实现出水运动。

水陆两栖机器人研究现状及分析

国内外研究现状

水陆两栖机器人兼具水中与陆地行动能力，不受水陆地形约束，又具备在水下航行以及在水底陆域移动的能力，极大地拓展了机器人的工作空间及工作能力，可应用于水下地形探测、资源探查、水生环境监测、灾害搜索，及科学调研等方面。随着人们对地球水域探索兴趣的不断提升，水陆两栖机器人也受到国内外学者越来越多的关注，并研制出许多具有代表性的水陆两栖机器人。

东京大学的研究人员以蛇为参考对象，开发出了一款仿蛇类游动的水陆两栖机器人ACM-R5。该机器人具有多个独立控制和驱动的关节模块，模块数量可按任务需求增加或减少，可控制机器人像蛇一样在水下和陆地波动前进，陆地运动速度可达0.5m/s。瑞士联邦理工学院的Crespi等人研制了Amphibot系列水陆两栖机器人，同样采用类似于海蛇一样的波动方式在水中游动，但是受限于关节自由度数量，无法进行水中翻滚以及潜浮运动。Amphibot机器人可以利用对地摩擦力的横纵向差异实现横向波动运动。国内的国防科技大学和北京理工大学也很早就开始了仿蛇形机器人的研究。国防科技大学在2001年开发地国内首台仿蛇形机器人，长约 1.2米，重量仅为1.8kg，可以穿越细长的管道，且机器人表面附有防水层，具备潜水作业能力。北京理工大学研制的柔性两栖蛇形机器人，搭载了惯性测量单元及单目视觉系统，可以实现自主移动控制及轨迹跟踪。

除了仿蛇形机器人外，研究人员们还借鉴了其他动物的水陆两栖能力。北京理工大学的研究人员通过研究青蛙的陆地跳跃方式和水中游动方式，开发了一款名为FroBot的仿青蛙机器人。该机器人的主要运动方式为双腿摆动。在地面时，通过双腿摆动配合机身前部的万向轮实现前向运动，最大移动速度可达1m/s，在水中时利用双腿摆动驱动腿后方的尾鳍实现游动，最大水下游动速度可达 0.4m/s，机身下方的胸鳍可控制机器人俯仰和滚转。美国海军实验室主导开发了一款仿鳐鱼水陆两栖机器人 Velox，Velox具有一对柔软的双鳍，采用特殊材料制作，采用电机驱动双鳍规律性摆动提供前进动力，不仅可以在水下、地面行进，甚至在泥地、沙地、雪地、冰面都能行动自如。耶鲁大学的研究人员受到水生陆生龟的启发，研制了一款两栖仿生龟机器人ART，该机器人具有可变刚度的四肢，可依据所处环境需求适应性地改变肢体形态和刚度。ART机器人在水中时利用浮力调整装置进行水面和水下游动，四肢变形为鳍状，类似于海龟游动方式，在地面上ART机器人的四肢变成足式结构，模仿陆龟的地面行走方式。

除此之外，还有一些其他类型的水陆两栖机器人。韩国海洋科学技术院的研究人员开发了一款具有30个驱动关节的水陆两栖六足机器人 Crabster，该机器人形似螃蟹，能够在水底和路面进行作业任务，其一对前足可以轻松夹断前方障碍，但是该机器人无法在水中游动。哈尔滨工程大学研制了一款足桨式多模态两栖机器人，利用变形关节控制机器人实现水陆运动模式的切换。在地面模式下，机器人采用足式方法前进；在水中时，机体进行折叠，螺旋桨调整角度实现在水中的推进。哈尔滨工业大学的研究团队，开发了一款轮腿式水陆两栖机器人，该机器人采用带有螺旋桨桨叶的轮腿结构作为驱动，通过后腿摆动实现水陆跨域转换，切换效率高，且控制简单。

发展动态分析

通过文献分析发现，自然界的生物对于水空两栖机器人的设计提供了非常多的灵感，如仿蛇、仿青蛙、仿鳐鱼、仿生海龟等水陆两栖机器人。而水陆两栖机器人虽然在推进机构、运动模式、控制方式等方面进行了大量的研究与测试，但是当前的水陆两栖机器人多数处于实验室验证阶段，只有很少的机器人进行了实践应用。

现有的水陆两栖机器人主要问题在于无法兼顾水下游动和陆地运动性能，当前机器人的研制更侧重于水域运动能力研究，往往忽略了陆地运动性能，面对复杂的任务环境，陆地和水下运动性能需要并重考虑。另外，机器人的水陆转换结构复杂、重量大、不易加工，且受限于机器人的运动结构，多数机器人负载能力弱。因此，未来需要在结构设计、材料特性、控制方法等方面深入探索，解决水陆运动的制约问题，实现水陆转换技术的突破，这样才能为水陆两栖机器人发展和应用奠定基础。

总结

两栖机器人的跨域运动特性，进一步提升了机器人的应用潜力，是未来机器人的重要发展方向。纵览两栖机器人的国内外研究现状，受到自然界生物的灵感启发，研究人员研发了形式各样的两栖机器人，但是大多都处于实验验证阶段。陆空两栖机器人的飞行系统和地面移动系统在重量上互相制约，需要进行合理的陆空两栖机器人系统配置，开发小体积高推重比的动力系统，开展陆空两栖机器人陆空协同运动，提升机器人的极限负载、运动能力，及起降稳定性。水空两栖机器人需要从运动能力、负载能力，以及任务适应性等方面全面提升，同时要解决机器人水-气兼容性、入水运动和出水运动等难题。水陆两栖机器人需要兼顾陆地和水下运动性能，以适应复杂的水空跨域环境，同时设计合理的水陆转换结构，降低转化控制复杂性，提升机器人负载。随着科学技术发展，当解决了当前两栖机器人面临的各种技术难题时，未来也许会出现集飞、走、游能力一体的水陆空三栖机器人，让我们拭目以待。

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本文刊登于《机器人产业》2023年7月刊

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