Bioinspiration & Biomimetics编辑优选：仿生两栖机器狗的设计与水中推进模式研究

文章介绍

Jingting Qu（瞿劲挺），Qingqian Cai（蔡清乾），Frank E Fish，Yunquan Li（李云泉），Ye Chen（陈烨），Yong Zhong（钟勇），Jiutian Xia（夏九天），Shiling Fu（傅诗玲），Wenhao Xie（谢雯豪），Haohua Luo（罗浩华），Sengyuan Lin（林森源），Yonghua Chen（陈永华）

通讯作者：

• 李云泉，华南理工大学吴贤铭智能工程学院
• 陈烨，华南理工大学吴贤铭智能工程学院

研究背景：

机器狗凭借其出色的环境适应能力，能高效应对野外复杂的陆地地形，已广泛应用于搜救、巡检等领域。然而，现有机器狗通常缺乏水中推进能力，难以实现跨越水域的连续移动，严重限制了其在复杂水陆环境下的应用。目前的两栖机器人设计多以爬行动物或昆虫为原型，其形态与运动模式与机器狗有一定区别。犬类等哺乳动物能够在不改变身体构型的情况下，通过步态切换兼顾高效的陆地运动与快速稳定的水中运动，表现出优异的两栖运动能力，但现有的仿生机器人领域尚未对此进行深入探索。因此，本研究旨在通过仿生犬类的划水步态和结构特征，设计并开发一种兼具高效陆地移动和水中推进能力的仿生水陆两栖机器狗（见图1）。

图1. 水陆两栖机器狗概念图

研究内容：

本研究首次提出并开发了一款受犬类启发的水陆两栖机器狗（ARD），兼具陆地小跑和水中划水的运动能力。研究从以下几方面展开：

（1）机械设计与划水步态规划

ARD在结构设计时降低重心位置以增强其在水中运动的稳定性。同时特别考虑机器人的防水性，确保电机、控制板等核心部件不受水的侵蚀。划水步态方面，研究借鉴犬类的自然划水步态，提出了三种划水模式：两种横向序列划水步态（LSPG，分别为25%和33%动力阶段比例）和一种对角慢跑式划水步态（TLPG，动力阶段比例为50%），并在机器人上进行系统性的步态规划与实验验证（见图2）。

图2. (a) 犬类单腿划水轨迹示意图；(b) 犬类LSPG相位时序图；(c) 本研究分析的三种不同步态的推进相（Power Phase）占比；(d) 在水陆两栖机器狗上实现的LSPG步态（包括PP25%和PP33%）；(e) 在ARD上实现的类小跑划水步态（TLPG，PP50%）。

（2）水动力特性与步态稳定性分析

研究采用理论模型与实验方法分析了不同步态的划水性能与稳定性，明确了动力阶段占比对单腿划水力的影响，即动力阶段比例越小，单腿产生的平均推进力越大。在机器人整体水中实验中，LSPG表现出更高的水中推进速度，而TLPG则在运动稳定性方面明显优于LSPG。（见图3a-d）

图3. (a) ARD在实验池中的动态游动测试；(b) ARD在游动过程中三轴姿态角的变化示意图；(c) ARD在不同划水步态下的平均游动速度比较： LSPG步态（25%和33%）和TLPG步态（50%）；(d) ARD在三种步态下三轴姿态角变化幅度的对比；(e) ARD在自然湖泊环境中的游动测试；(f) ARD的陆地步态测试。

（3）综合实验验证

综合动态测试显示，ARD在水中最高速度达0.16 m/s（0.54倍体长/秒），陆地最高速度达0.35 m/s（1.2倍体长/秒），证实了机器人在水陆环境的高效适应能力。此外，实际户外环境测试也证实了ARD能够平稳跨越自然地形中的陆地障碍和水域。（见图3e-f）

本研究首次将犬类特有的高效划水步态成功应用于仿生四足机器人，显著提升了水陆两栖机器人的环境适应性。研究成果不仅扩展了仿生机器人的应用场景，同时为未来混合地形环境下机器人运动控制与结构优化提供了理论基础与实践参考。

作者介绍

• 2023年影响因子：3.1  Citescore：5.9
• Bioinspiration & Biomimetics（BB，《生物灵感和仿生学》）致力于借鉴生物学来丰富工程学，同时利用工程学来充实生物学。发表在BB上的研究专注于不断演变的生物系统的原理、功能及其应用，以此来开发新的技术和方法，解决科学问题。