由于需要同時具備不同環境下的運動能力，現有兩棲機器人大多將傳統地面和水下驅動方式相結合，配備多套驅動系統。這種方案不但容易繼承原有驅動方式的缺陷，而且復雜的傳動和切換機構也會導致機器人的控制困難、結構復雜，難以實現兩棲機器人的微小型化。
針對這一難題，哈工大機器人技術與系統國家重點實驗室近期研發了一種基于振動驅動原理的微小型兩棲機器人。該機器人通過剛柔復合模塊的振動激勵實現兩棲運動，在地面和水面分別采用橢圓摩擦驅動和振動致流驅動方案，實現了地面奔跑運動和水面快速游動；通過無傳動的結構設計，實現了兩棲機器人的集成化和微小型化；其運動場景如圖1所示。
圖1 | 振動驅動微小型兩棲機器人運動場景兩棲機器人的整體尺寸約為75mm×95mm×21mm，如圖2所示；機器人的所有結構部件均通過3D打印制成，總重量僅35g。
該機器人由一個主體結構和兩個驅動模塊構成，主體結構設計為流線型，以減少機器人在水中的運動阻力。兩側的驅動模塊采用剛柔復合設計，包括一個傳動腿和兩個驅動部件，通過內部偏心電機激發振動；其中傳動腿采用剛性設計，以實現振動從電機到驅動部件的快速傳導以及振幅的放大；在傳動腿底部布置EVA泡棉材質的彈性足，通過足地摩擦沖擊產生驅動，同時可避免足地間高頻剛性接觸，減少振動對驅動模塊的損害，提高運動穩定性；在剛性傳動腿的頂部布置PVC材質的柔性鰭，通過振動激勵下的變形產生射流，從而獲得機器人的水面驅動力。
圖2 | 機器人整體尺寸和詳細結構該機器人采用橢圓摩擦原理來實現地面運動。在偏心電機產生的離心力作用下，驅動模塊以橢圓軌跡振動，如圖3a所示，此時偏心電機逆時針旋轉，彈性足呈現為逆時針的橢圓振動。
在橢圓軌跡的下半部分，彈性足下壓，最大靜摩擦力增加，同時驅動模塊相對于地面向右移動，從而產生向左的摩擦驅動；在橢圓軌跡的上半部分，驅動模塊離開地面，而整個模塊由于慣性繼續向前運動。
因此，彈性足每次與地面接觸時，都會受到摩擦沖擊的作用，從而實現連續運動。通過兩側驅動模塊的配合，機器人可以在地面實現各種形式的靈活運動：兩個驅動模塊以相同的方向交替振動，可實現雙足的直線奔跑；通過兩個驅動模塊間的差速可實現旋轉運動；而當兩個驅動模塊以相反的方向振動時，則可以實現原地旋轉。
圖3 | 地面摩擦驅動機理該機器人采用振動致流機制來實現水面運動。當柔性薄板在水面振動時會產生明顯的變形，而不同的激勵頻率會激發出不同的振動模態，從而導致表面流場出現復雜的變化，如圖4a所示。
該項研究針對不同振動模態對表面流場變化的影響規律進行了深入探究，根據實驗和理論分析，一階模態下振幅較小，末端水流微弱，難以產生驅動效果；而在二階模態附近，在柔性薄板末端會出現橫向流動；在三階模態下，柔性薄板末端中間的變形比兩側的變形大，可以在較高電壓下、較寬的頻率范圍內有效匯聚水流，如圖4b所示。
水流將從端部兩側的節點向中間匯聚，從而克服表面張力的限制，出現明顯向外的射流，實現機器人的水面推動。
圖4 | 機器人的水面驅動原理最后對該機器人的兩棲運動能力進行了測試，機器人的地面運動如圖5所示：
圖5 | 機器人地面的直線和旋轉運動機器人的水面運動如圖6所示：
圖6 | 機器人的水面直線和旋轉運動機器人的兩棲切換運動如圖7所示：
圖7 | 機器人的兩棲切換運動該兩棲機器人的地面運動速度達到815 mm/s，相對速度約10.9 BL/s；水面運動速度達171 mm/s，相對速度約為2.3 BL/s；該機器人成功實現了兩棲切換運動，且在兩棲環境中的相對運動速度優于當前大多數的兩棲機器人。
此外該機器人還成功實現了地面越障運動、水面傾覆后運動等，如圖7所示，展示出了良好的運動環境適應性。
圖8 | 機器人的越障運動綜上所述，該項研究工作提出了一種基于振動驅動原理的微小型兩棲機器人。機器人以獨特的剛柔復合模塊作為兩棲運動的核心部件，采用偏心電機作為核心驅動單元，激勵彈性足和柔性鰭分別實現地面奔跑和水面游動。機器人地面運動采用雙足橢圓摩擦驅動機制，通過偏心電機在彈性足上激發出橢圓振動，通過雙足交替與地面之間產生摩擦沖擊實現在地面上的奔跑運動；同時還解釋了由慣性驅動機制引起的兩種地面運動機理切換所產生的特殊實驗現象。
對于水面運動，通過研究柔性薄板的水面振動致流機制，闡明了振動模態對表面流場的影響規律，并證明了第三階振動模態具有最好的驅動效果，從而提出了一種基于振動的水面射流驅動方案。
由于振動驅動原理無需額外的傳動機構，該兩棲機器人采用此剛柔復合模塊驅動，易于實現小型化和密封設計；此外，機器人實現了控制系統的集成，通過兩側驅動模塊的配合實現了兩棲環境中多種模式的自由運動，并展示出了優越的運動性能和較好的環境適應性。這項工作有效地解決了現有兩棲機器人結構復雜、難以小型化的問題，在各種復雜的兩棲環境中表現出廣闊的應用前景；而創新的兩棲運動機制將為后續微型兩棲機器人的研究提供一個切實可行的方向，機器人所采用的剛柔復合和無傳動設計理念也可以為研究人員帶來新的啟發。
相關成果以“Miniature amphibious robot actuated by rigid-flexible hybrid vibration modules“為題發表在Advanced Science上，博士生王德鴻、劉英想教授和博士后鄧杰為論文共同第一作者，劉英想教授和趙杰教授為論文共同通訊作者。
論文鏈接：
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/10.1002/advs.202203054.
作者 | Robospeak
排版 | 麥子
