基于弹涂鱼的两栖仿生机器人推进机理与实验研究

With the rapid expanding of the application domain of robots, amphibious robots which can adapt multiple environments have attracted researchers’ attention. However, the current amphibious robots mainly adopt composite structures which occupy the disadvantages of complicate structure and poor performance in mud. In this study, we investigate the mudskipper which can swim, walk freely in the water, on the mud and land, and propose a novel amphibious robot. We first conduct a biomimetic investigation on the mudskipper, in which its morphology and kinematics are detailed studied. Based on the biomimetic results, we design a novel amphibious propulsive fin and an amphibious robot. The interaction between the propulsive fin and amphibious environment is studied and discussed. The structural and kinemaitic parameters are also studied and optimized by experimental research to obtain the optimum propulsive performance. The project proposes a novel idea for the design of amphibious robt. It can provide reference for the structure design and motion control of the future robot and expand the application of the amphibious robot in the military reconnaissance, resource exploration and pollution abatement.

随着机器人应用领域的不断扩展，两栖机器人由于其良好的多环境适应性越来越受到研究人员的重视，然而当前两栖机器人主要采用的复合推进方式具有推进机构较复杂以及泥水过渡环境通过性差的缺点，本项目拟通过模仿能够自由漫步于水中、泥地以及陆地上的弹涂鱼，研制具有两栖环境良好推进性能的新型两栖仿生机器人。本项目首先对弹涂鱼进行仿生学研究，获取其身体以及胸鳍形态学参数，并对其运动特征进行分析研究。然后基于仿生学研究成果，提出新型变刚度柔性鳍两栖推进方式并对推进机构与环境介质相互作用力特性进行探讨，进一步设计两栖仿生机器人，对两栖机器人在不同环境中的行进性能进行参数化研究。本项目为两栖机器人的研究提供一种新的思路，为两栖环境推进机构的设计与运动控制提供参考与借鉴，能够扩展两栖仿生机器人在军事研究、病虫害防治、污染治理等领域的应用。

两栖机器人能够较好地适应水陆地形，在军事侦查、资源探索等方面都体现出了较高的优越性。本项目以具有优秀的水陆两栖环境行进性能的弹涂鱼为仿生目标，首先开展了弹涂鱼形态学、运动学研究，获得了其胸鳍及身体的特征参数，并且基于三维重构，对其运动序列进行了分析，获得了弹涂鱼在陆地、两栖环境以及水环境中的运动学特征。然后基于流固耦合方法对推进机构与水环境的相互作用进行了分析，基于理论与实验相结合的方法对推进机构与泥土的相互作用力特性进行了研究，获得了不同刚度推进机构在不同环境下的推进力学性能。基于形态学和运动学研究成果，设计了多推进方式耦合的两栖机器人，并提出了不同的运动学控制策略，开展了推进机构与机器人推进性能研究，为后续两栖机器人深入研究提供了重要参考。