第32卷第3期2010年5月机器人ROBOT V ol.32,No.3 May,2010
DOI：10.3724/SP.J.1218.2010.00443
吴立成1，孙富春2，袁海斌3
（1.中央民族大学信息工程学院，北京100081； 2.清华大学计算机科学与技术系智能技术与系统国家重点实验室，北京100084；
3.北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院，北京100191）
摘要：水上行走机器人仿生水黾，利用液体的表面张力在水面上站立和行走，是近年来机器人研究领域新出现的研究方向．本文综合分析了水上行走机器人相关理论与技术及系统研制等方面的国内外研究现状，并对该领域未来的研究重点、关键技术和发展方向进行了展望．
关键词：水上行走机器人；仿生；表面张力
中图分类号：TP24文献标识码：B文章编号：1002-0446(2010)-03-0443-06
Water Strider Robot
WU Licheng1，SUN Fuchun2，YUAN Haibin3
(1.College of Information Engineering,Minzu University of China,Beijing100081,China;
2.State Key Laboratory of Intelligent Technology and Systems,Department of Computer Science and Technology,Tsinghua University,Beijing100084,China;
3.School of Automation Science and Electrical Engineering,Beihang University,Beijing100191,China)
Abstract:Water strider robot is a kind of bionic copy of the insect water strider.It stands and moves on the water surface via the support of the surface tension,becoming a new interested research direction in thefield of robotics.In this paper,the state of the arts of theory,technology and system development about the water strider robot is mainly introduced.Then,some future key research directions,key technologies and the prospects are pointed out.
Keywords:water strider robot;bionics;surface tension
1引言（Introduction）
仿生机器人的研制成功往往代表着更高的自然认知程度，在科学探索前沿领域起着急先锋、领头羊的作用．因此，微小型仿生机器人一直是机器人领域的研究热点之一[1]．比如Hirose等[2-3]研究的TITAN-VII型四足步行机器人能够在不平整的地面上稳定地行走，能以非接触方式绕过地面上的障碍，能够向任何方向运动，腿部的自由度除了行走还可用于完成工作任务．杨少波等[4]研制的机器鱼总质量为1kg，通过8个左右对称的伺服电机按照一定的相位差驱动刚性鳍条，在水箱实验中达到了0.13m/s的前进速度和0.15m/s的后退速度，并可在8s内完成360◦的原地转弯．Idogaki等[5]研制了一种管内探伤机器人，由步进压电移动机构驱动，机器人直径为5.5mm，长20mm，重1g，可以在直径为8mm的管中行走．美国加州大学伯克利分校制造的一种扑翼式仿生苍蝇机器人翼展只有3cm，质量为300mg，能够每秒钟拍打和转动翅膀数百次，只是目前还不能自由飞行．可以说，能够在地面（昆虫、蛇等）、水下（机器鱼）、空中（微型旋翼及扑翼飞行器），甚至地下（遁地机器人）活动的微小型机器人的研制都已经取得了很大的成功．从承载介质和活动区域的意义上来说，能在水面活动的机器人是一个新的挑战． 目前，国际上已经开始研制水上行走机器人．水上行走机器人仿生水黾（俗称“水蜘蛛”），也称为水蜘蛛机器人、水黾机器人、水上漂浮机器人．其特点是利用表面张力在液体表面站立和行走，运动中不受液体的粘性阻力，相比于舰船及水下潜器能极大地降低运动能耗，延长工作时间．此外，水上行
走机器人采用特殊的运动方式，不会在浅水区搁浅，甚至有可能实现水陆两栖（有待研究），运动过程对液体的扰动也非常小．因此，它在侦察勘测、水质监控、液面清污等领域具有十分重要的应用前景．另一方面，水上行走机器人要利用表面张力在水面站立和行走，必须非常轻巧又非常精密，研制
基金项目：国家自然科学基金资助项目（60875062）．
通讯作者：吴立成，wulicheng@,收稿／录用／修回：2009-07-07/2009-09-09/2009-12-17
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难度很大，被Sitti教授[6]称为“是对微型机器人研究的极限挑战”、“是微型机器人研究的最后冲刺”．相关研究在国内外都还处于空白或刚刚起步阶段．其研究在微小型机器人系统集成、水面拖动、特殊运动模式系统的运动分析和动力学建模与控制系统设计，以及超疏水材料的制备与应用等方面，具有重要的研究意义．
2水上行走机器人研究现状分析（Analysis on the state of arts of water strider robot）2.1原型系统
目前已研制成功的水上行走机器人原型系统为数不多．其中最早见诸文献的是美国麻省理工大学的“Water Strider”机器人[7]．如图1(a)所示，它有6条腿，均由Φ0.2mm规格的不锈钢丝制成，骨架为
铝质结构．中间两条腿为驱动腿，以橡皮筋驱动，拧紧一次皮筋只能划水5次，向前滑行20cm左右．虽然它结构简陋，运动能力有限，但它是全世界第一个能够在水面站立和移动的机器人，因而备受关注．其相关理论研究和实验结果在Nature上发表时，还配发了评论文章[8]．随后卡耐基—梅隆大学Sitti教授带领的小组在2004年9月制作成功了名为Water Walker的水上行走机器人[9]，如图1(b)所示．该机器人主身躯为一个边长0.5in的四方状碳化纤维盒，8条2in长、涂有防水塑料的钢丝构成腿部．利用3片金属压电制动器构成驱动器，总质量为1g 左右．该机器人没有自带能源和控制器，必须通过导线与地面电源和控制卡相连，还不能算是真正意义上的水上行走机器人．而且Water Walker的运动能力也非常有限，移动缓慢，无法转向．清华大学吴立成等人[10]于2005年设计制作了如图1(c)所示的水上行走机器人“Water Dancer”，采用小电机驱动，三级齿轮减速增扭，钮扣电池提供能量．“Water Dancer”无缆、运动速度良好，虽然尚没有调速和转向能力，性能明显优于前两者（见表1）．
此外，日本学者研制了形状记忆合金（SMA）驱动的有缆机器人[11]，用于对水蜘蛛腿部肌肉进行模拟．文[12]为研究两个驱动器配合生成椭圆轨迹的腿部机构，研制了使用浮筒作为支撑腿的原型机器人，由于使用浮力而不是表面张力支撑，不是真正意义上的水上行走机器人．哥伦比亚大学也研制了利用电机驱动的水上行走机器人[13]，机器人本体是由碳纤维制成，4条支撑腿由铝制成，该机器人结构简单，划水效率较低，负载能力差．2007年，卡耐基—梅隆大学的研究组提出了新的电机驱动水上行走机器人原型[14]．为提高支撑能力，机器人由12条支撑腿、2个电机驱动，但只能通过开关设置
工作于直行或纯转弯模式，无法控制其运动．文[15]提出了一个电机驱动的6腿水上漂浮机器人，其驱动腿采用曲柄滑块机构，可输出与生物体类似的椭圆运
(a)Water Strider(b)Water Walker(c)Water Dancer
图1水上行走机器人原型系统
Fig.1Prototypes of water strider robot
表1现有原型系统参数表
Tab.1Parameters of the prototypes
Water Dancer（清华）Water Walker（CMU）Water Strider（MIT）驱动方式电机压电驱动橡皮筋
系统结构无缆有缆无缆持续工作时间>10h5～8s
腿部表面处理纳米材料防水塑料蜡
自重 1.8～2g≈1g0.35g
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(a)实物照片(b)侧视图
图2水上行走机器人Water Dancer II
Fig.2Water Dancer II
动．本课题组近期研制成功了一款名为Water Dancer II的水上行走机器人[16]，如图2所示．该机器人采用双电机驱动，能转向和调速，采用红外信号实现了遥控水上行走．
2.2相关理论和关键技术
生物水黾利用表面张力，仅用单腿就能在水面上支撑起其身体15倍的重量，以前一直无法在理论上解释这一现象．2004年中国学者在Nature上发表文章指出[17]，水黾腿部表面附有数千根按同一方向排列的刚毛．这些刚毛表面形成微—纳二级结构（螺旋形沟槽），使其腿能够排开300倍于身体体积的水量而不刺破水面，产生极大的表面张力．人造材料要完全模拟生物表面微—纳结构非常困难，但通过疏水性材料增加表面张力、提高腿部的支撑能力却很容易．MIT、卡耐基—梅隆和本课题组的机器
人分别在腿部钢丝表面喷涂了石蜡、防水塑料和纳米疏水剂，达到了提高支撑能力的目的．许多文献研究了超疏水性纳米材料的机理和制备方法[18]，实验材料表面对水的接触角达到了171±0.5◦．具有超强疏水性的一些涂料产品也已问世[19]．文[15]还提出了利用高分子材料为机器人模拟制造超疏水性绒毛腿部的方法，实验结果显示可以大大提高机器人腿的支撑能力．
水上行走机器人能够在水面上站立和行走主要依靠表面张力，详细分析腿部的受力情况对机器人的设计非常必要．表面张力的大小反映表面自动收缩的趋势大小，对于平衡表面可以根据比表面自由能来计算[20]．因此估算机器人可产生的水体表面积增量，可以计算腿部最大支撑力．课题组制作了多个如图3所示的无动力机架，每个机架有4条对称的腿．腿部材料为Φ0.2mm不锈钢丝，并使用北京首创纳米科技有限公司研制的SS-1型水性纳米疏水剂增强表面疏水性．当腿部形状和尺寸如图4所示时，不考虑表面疏水材料的影响，计算所得最大支撑力为2.939g．而实验测得，腿部涂敷疏水材料之后，机器人最大静止载重为4g，可见使用疏水性材料可以大大提高腿部的表面张力．文[18-21]也对腿部的形状和长度与支撑能力的关系，以及支撑力的估算等问题，进行了重点研究，给出了支撑力与接触角关系曲线仿真结果，但没有计算支撑力大小．文[15]给出了计算支撑力大小的实验结果，理论计算依然比较简单．目前看来，机器人腿部的支撑能力依然很小，水上行走机器人要提高性能，比如增加传感器等负载，必须进一步提高支撑能力才行．而要较大地提高支撑力，显然应朝着模拟生物腿部绒毛结构的方向努力．
图3支撑腿结构示意图
Fig.3Structure of the supporting
legs
图4支撑腿零件图
Fig.4Blue print of the supporting legs
在水面生物驱动能力的机理研究中，长期以来一直认为生物水蜘蛛（学名水黾）是依靠腿部在水面上划动产生的表面张力波来驱动的[23-24]，但该理论无法解释水黾幼虫的水面运动，这称为Denny悖论．2003年Hu等[7]的研究指出，水黾靠腿部划动水面时形成半球形的涡旋产生驱动力，而水面张力波对推力的贡献非常小．对半球形涡旋的分析表明它完全符合蜗丝结构理论，解决了Denny悖论[8]．
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这无疑给水上行走机器人驱动机构设计及机理的研究打下了坚实的基础．但对于水上行走机器人而言，如何建立涡旋驱动的数学模型（划动运动与驱动力之间的动力学关系），如何设计腿部结构和形状以提高驱动效率，如何设计和制造微型、轻质的运动机构，以及如何实现运动控制等问题，都还有待进一步研究．
在精密机器人的制造技术方面，目前采用微机电系统（MEMS）技术、传统的精密加工技术或两者相结合，已可实现只有几克重的多种形态微小机器人．比如，用手表电机和微小齿轮减速传动的微小移动机器人Monsieur[25]，能够根据两个光电传感器接收到的光强差，调整车轮速度，沿着光线方向移动，重量仅为4.3g．日本Denso公司等单位研究的用压电陶瓷驱动的微小管道机器人[26]，用微波进行能量供应，重量仅为0.3g．除了微电机驱动，微小机器人主要可采用的驱动方式还有：静电驱动、热力驱动、压电驱动、水／气压驱动等．但各种驱动器在功率与重量和体积之间总是难以平衡，因此MIT 的Water Strider只是采用了一根橡皮筋进行简单的驱动．微小机器人研究中，机载控制器也是一项难点技术，也是限制其实际应用的主要障碍，有待计算机和外设集成技术的突破．目前问世的微小机器人多数是有缆的，通过缆线连接控制器来解决问题．能源供应有时也采用有缆方式，比如卡耐基—梅隆的Water Walker．但有缆机器人的导线不仅存在电压降和信号衰减，还限制了机器人的移动距离和移动路径．微波供能和信号传输等方法技术还不成熟，而且只适用于特定的环境[27]．水上行走机器人的驱动器必须能精确地控制腿部运动，以保证腿部能有效地划动水面，同时又不刺破水面．因
此微系统集成也是水上行走机器人研制的关键之一，即在微小尺寸和微小重量水平上集成驱动器、控制器、能源甚至传感器．
3下一步研究重点与展望（Key directions and prospects on future research）
如前所述，目前MIT、卡耐基—梅隆、本课题组制作的和其他文献中介绍的水上行走机器人都还非常简陋．要制作具有良好运动和控制性能的水上行走机器人还需要在表面张力支撑、涡旋驱动、系统集成、动力学建模与分析、控制方法等各项理论和技术上有所突破．本文对下一步研究重点及展望的分析如下：
(1)微小化及轻量化系统集成技术
大家都知道水的表面张力是很小的，自然界的水体因为含有杂质和表面污垢等原因，实际表面张力比纯水还要低．利用表面张力在水面活动的自然生物或机器人还必须留有足够的载重余量以抵御空气及水体流动带来的扰动，一旦重量太大，就很容易落水．这可能也是自然界不存在大型水黾的原因．因此，水上行走机器人必须尽可能地微小化和轻量化．真正意义上的水上行走机器人必须是一个无缆系统，即应自备完整的能源、动力和控制系统以及传感器和通讯设备等．如何在微小尺寸和微小重量水平上集成驱动器、控制器、能源和传感器，就成了研制水上行走机器人的一个重点．
如上节所述，目前在微小型机器人的制造技术方面已取得大量成果．一种水上行走机器人的系统方案可以是：采用表用电机或其他微小电机驱动，多级齿轮或曲柄滑块机构传动．氧化银电池为能源．两条驱动腿独立驱动，差动转弯．使用光敏电阻调节电机的输入电压，实现电机的调速．通过遥控器控制发光二极管的光强，改变环境光场，最终实现机器人的运动控制．其中氧化银电池为能源，微小电机和多级齿轮减速构成驱动系统，环境光场引导机器人运动方向等各项技术，都有成功的先例．因此借鉴和发展现有技术，未来将可研制出能在野外执行侦察勘测、水质监控或液面清污等任务的水上行走机器人．
(2)超疏水腿部材料技术
水上行走机器人为避免粘性阻力和仿生水黾，必须采用丝状腿部接触水面．机器人的支撑力主要来自水的表面张力．腿部材料的亲水或憎水（即疏水）性能对于能获得多大表面张力非常关键．在相同结构与尺寸的情况下，腿部材料与水的接触角越大，能够获得的最大表面张力也越大．已有一些涂料和工艺能够在墙体和金属等材料的表面产生接触角接近180◦的超疏水效果．但水上行走机器人的丝状腿部还应具有一定的强度和刚度．因为腿部支撑力大小直接决定了机器人自重大小和负载能力，目前情况是支撑力提高1g，对于水上行走机器人总体设计都有非常大的帮助．所以采用何种材料和工艺来制作既满足强度和刚度要求，又具有超疏水表面性能的机器人丝状腿部，是一个值得研究的重点问题．文[16]指出生物水黾之所以能产生极大的表面张力（300倍于身体体积的水的重量），是因为腿部表面
附有数千根按同一方向排列的刚毛，同时刚毛表面形成了特殊的微—纳二级结构．研究通过光刻、腐蚀和表面生长等方法，使材料表面出现类似
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水黾腿部的表面结构，是研制腿部材料的一种重要思路．
(3)支撑力分析与腿部优化设计
水上行走机器人在水面活动，其支撑力来自丝状腿部在水面的表面张力和浮力，其中浮力非常小，主要是表面张力．表面张力和浮力的分析与计算对于水面行走机器人支撑腿的设计以及载重能力分析具有指导意义．这方面的研究可以根据Young-Laplace方程来展开．
机器人丝状腿部在水面的受力情况类似于受到分布力作用的悬臂梁，必然会产生较大形变（因为细丝状形状决定了腿部的刚度较小）．根据腿部的受力和形变，优化设计腿部形状和结构，使得腿部形变之后能在水面充分利用表面张力（比如与水面接触部分呈直线），也是一个研究重点．
(4)动力学分析
自制锅盖天线在复杂系统的动力学建模与分析方面，目前一般可采用ANSYS或ADAMS等动力学分析软件对微机器
人进行有限元分析[28]，或采用拉格朗日方法等建立机器人系统动力学方程．虽然文[7]解决了Denny悖论，并给出了腿部划动速度和驱动力之间的关系式，但水上行走机器人水面摩擦力分析、驱动腿划水的涡旋驱动数学模型以及腿部与水面碰撞过程的分析与计算等仍是动力学建模的一大难点．动力学仿真中如何有效地模拟液面效果也是一项值得研究的技术．
(5)控制算法
一方面受到自重和体积的限制，水上行走机器人驱动、传感和控制系统都将非常简陋．另一方面，机器人本身包含柔性部件（主要是腿部），在水面的运动和受力也非常复杂，难以建立精确的数学模型．工作环境开放、动态，变化因素较多．未来的工作任务还要求它具有一定的自主能力．如何设计有效的控制算法，满足其在野外执行侦察勘测、水质监控或液面清污等任务的需要，也是一个研究重点．
(6)仿真和实验研究
建立水上行走机器人仿真系统，对机器人重量、体积、受力（支撑力、摩擦力）和运动响应等情况进行仿真，甚至通过三维动画演示机器人运动过程，对于机器人的分析与设计显然具有重要意义．对机器人样机的实验研究，不仅包括测定其速度、转弯半径、续航时间、遥控距离等各项性能参数．还包括设计特定实验，辨识表面张力值、水面摩擦系数以及机体转动惯量等参数，并完成遥控越障及快速
到达等多种科目的综合实验．4结论（Conclusion）
水上行走机器人不同于地上、地下、水下、空中和管道等各种机器人，是国际上近期才开始研究的一个热点问题．由于利用表面张力在水面活动，不浸润水体，因此它可以避免受到液体粘性阻力的影响．并且其活动区域对水深几乎没有要求．相比于舰船和水下潜器具有独特的优势．通过加装摄像头、气体或化学等各类传感器，水上行走机器人将在侦察勘测、水质监控、液面清污等领域具有十分重要的应用前景．
水上行走机器人的独特运动模式要求它只能有很小的自重和体积，因此研制难度也很大．在微小型机器人系统集成、水面拖动、特殊运动模式系统的运动分析和动力学建模与控制系统设计，以及超疏水材料的制备与应用、固液气表面物理化学等方面具有重要的理论研究意义，相关理论和关键技术的研究将大大推动微机器人、仿生机器人等学科领域的发展．
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作者简介：
吴立成（1972–），男，博士，副教授．研究领域：机器人，计算机应用．
孙富春（1964–），男，博士，教授．研究领域：智能控制及机器人，智能信息处理，网络控制等．袁海斌（1971–），男，博士，副教授．研究领域：网络化信息处理与智能诊断，计算机应用．
