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。

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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。

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。

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。

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。
 

图5 用于螳螂虾控制的CPG网络及运动输出

图6 螳螂虾的直线运动

图7 螳螂虾的转弯运动

▍仿生螳螂虾机器人的展望

通过结合绳驱动、柔性脊柱以及CPG控制，研究者们能够成功地模拟自然界多足类动物的运动。进一步优化机械结构设计和模型参数，有望开发出具有更高运动性能的仿生多足类机器人，适用于在狭窄空间中安全作业。此外，利用多个仿生多足类机器人实现集群协作高效作业也是多足机器人的重要发展方向之一。

原文信息：

Chen G, Xu Y D, Yang C G, et al. Design and Control of a Novel Bionic Mantis Shrimp Robot[J].IEEE/ASME Transactions on Mechatronics, 2023:1-10.

DOI:10.1109/TMECH.2023.3266778

下载地址：https://ieeexplore.ieee.org/document/10109778