Highly agile flat swimming robot

📄 arXiv: 2406.08015v1 📥 PDF

作者: Florian Hartmann, Mrudhula Baskaran, Gaetan Raynaud, Mehdi Benbedda, Karen Mulleners, Herbert Shea

分类: cs.RO

发布日期: 2024-06-12

💡 一句话要点

提出一种高机动性微型水面游泳机器人，用于复杂水域环境监测。

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control)

关键词: 水面机器人 软体机器人 游泳机器人 微型机器人 环境监测

📋 核心要点

  1. 水面机器人常面临植物、动物和碎片等复杂环境的挑战，需要高机动性。
  2. 该论文提出一种基于软体胸鳍的微型游泳机器人，通过电激励产生行波驱动。
  3. 实验表明，该机器人具有高速度和旋转能力，能通过复杂环境并推动重物。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种快速（5.1厘米/秒的平移速度和195°/秒的旋转速度）、厘米级、高机动性和自主无线的水面游泳机器人。该机器人通过一对柔软的、毫米级的、波浪状的胸鳍实现运动，胸鳍中的行波由电激励产生推进力。该机器人能够在狭窄空间中穿梭，穿过水草，并推动超过其自身重量16倍的物体。这种机器人可以实现分布式环境监测，以及对水产养殖的植物和水参数进行连续测量。

🔬 方法详解

问题定义：现有水面机器人在复杂水域环境中，例如存在水草、碎屑等障碍物时，往往难以实现灵活的运动和导航。传统的推进方式可能效率低下或容易被缠绕，限制了其在环境监测和水产养殖等领域的应用。

核心思路：该论文的核心思路是采用一对柔软的、毫米级的胸鳍，通过模拟鱼类的游泳方式，利用电激励产生行波来实现机器人的推进和转向。这种设计能够提供高机动性，使其能够在狭窄空间和复杂环境中灵活运动。

技术框架：该机器人的整体架构包括：1）微控制器，用于控制机器人的运动；2）电池，提供电力；3）一对软体胸鳍，作为推进机构；4）驱动电路，用于电激励胸鳍产生行波。机器人通过控制两个胸鳍的运动频率和相位差来实现前进、后退和转向等动作。

关键创新：该论文的关键创新在于将软体机器人技术应用于水面游泳机器人，并采用电激励的方式驱动胸鳍产生行波。这种方法简化了机械结构，提高了机器人的灵活性和适应性。与传统的螺旋桨或喷水推进方式相比，软体胸鳍更不容易被水草等障碍物缠绕。

关键设计：胸鳍采用毫米级的薄膜材料制成，以保证其柔软性和灵活性。电激励信号的频率和相位差是控制机器人运动的关键参数。通过调整这些参数，可以实现对机器人速度和转向的精确控制。此外，机器人的整体尺寸被设计为厘米级，使其能够在狭窄空间中运动。

📊 实验亮点

该机器人实现了5.1厘米/秒的平移速度和195°/秒的旋转速度，展示了其高机动性。实验证明，该机器人能够通过狭窄空间和水草环境，并能推动超过其自身重量16倍的物体，验证了其在复杂环境中的适应性和负载能力。

🎯 应用场景

该研究成果可应用于分布式水环境监测，例如监测水质、水温、pH值等参数。在水产养殖领域，该机器人可用于连续测量植物和水的参数，优化养殖环境。此外，该技术还可用于水下勘探、搜救等领域。

📄 摘要（原文）

Exploring bodies of water on their surface allows robots to efficiently communicate and harvest energy from the sun. On the water surface, however, robots often face highly unstructured environments, cluttered with plant matter, animals, and debris. We report a fast (5.1 cm/s translation and 195 °/s rotation), centimeter-scale swimming robot with high maneuverability and autonomous untethered operation. Locomotion is enabled by a pair of soft, millimeter-thin, undulating pectoral fins, in which traveling waves are electrically excited to generate propulsion. The robots navigate through narrow spaces, through grassy plants, and push objects weighing over 16x their body weight. Such robots can allow distributed environmental monitoring as well as continuous measurement of plant and water parameters for aqua-farming.