上大史航队研发仿生水下软体蛇形机器人自运动感知与在线步态控制

摘要：水生蛇类凭借修长的体型与独特的波动式运动方式，完美适应水下环境。其身体能够灵活穿梭于狭窄通道、蜿蜒绕过复杂障碍物，探索大型海洋生物难以到达的受限空间。此外，这类生物柔软灵活的躯体不仅赋予其平滑流畅的游动能力，还能有效减少对周围水流的扰动，降低对水下生态系统的潜

水生蛇类凭借修长的体型与独特的波动式运动方式，完美适应水下环境。其身体能够灵活穿梭于狭窄通道、蜿蜒绕过复杂障碍物，探索大型海洋生物难以到达的受限空间。此外，这类生物柔软灵活的躯体不仅赋予其平滑流畅的游动能力，还能有效减少对周围水流的扰动，降低对水下生态系统的潜在影响。蛇形水下机器人可分为刚性与软体两大类，其中软体水下蛇形机器人因其高仿生特性、与环境安全交互能力，具备在复杂水下空间作业的独特优势。

近日，上海大学机电工程与自动化学院史航副教授团队在水下软体机器人领域实现关键突破：该团队研发的“白龙”仿生蛇形机器人首次融合分布式形态感知传感器阵列与基于在线迭代学习的自适应步态控制框架，成功赋予软体机器人自体感知能力与长时间步态一致性调控能力。实验表明，该系统在自然水域中完成了稳定、高一致性、自主长距离游动任务，整体运动表现已可媲美传统刚性水下机器人。

▍水蛇仿生机制与结构设计原理解密

水下软体蛇形机器人的仿生构型

“白龙”机器人由头部、颈部、身体和尾部四部分组成，头部集成了通信、液压驱动、运动控制系统，颈部用于产生头部的独立转向，身体由四个关节组成，尾部作为辅助推进部件。每个身体关节集成弯曲传感器进行关节变形的自感知，并包含两个由硅橡胶制成的水腔，以液压驱动关节产生弯曲变形。

控制系统基于嵌入式微控制器，持续采集弯曲传感器的电压测量值并提供给在线控制算法，同时通过蓝牙与PC通信，实现运动参数的在线调整。

蛇身软体结构设计

▍复杂水下运动的步态设计

“白龙”蛇形机器人的波动推进由一系列关节的有序弯曲变形驱动，自头部向尾部依次形成连续的波状传播。研究团队基于分段常曲率（PCC）假设，将每节关节建模为圆弧，并通过控制中心角（即弯曲角）精准调节其波动姿态。

为构建基于PCC假设的蛇形波动运动模型，步态设计的核心目标是实现最接近理论蛇形波形的周期性步态模式。具体而言，通过调控各关节的弯曲角，使四节身体关节在任意时刻共同构成一个完整的空间行波周期。该团队进一步深入分析了软体关节驱动与波形传播之间的时序耦合机制，并据此建立了关节曲率与行波传递之间的时空演化方程，为步态生成与控制提供了理论支撑。

软体机器蛇形波机理研究与步态设计

在此基础上，研究团队进一步分析了生物蛇的转向机制。自然蛇类通常通过颈部独立运动与身体两侧运动幅度的不对称性实现方向调整。借鉴这一生物启发，团队设计了两类仿生转向策略：一是头部主动转向，通过控制颈部关节弯曲角度实现小半径精准转向；二是不对称波动步态，通过在身体两侧施加不同幅度的推进波，诱导机器人沿目标方向偏转，实现大半径平稳转向。

仿生转向机制设计

▍机器人自体感知与自主控制

“白龙”每个模块化软体关节内部集成有柔性弯曲传感系统，可实时测量其双向曲率，实现了嵌入式自体形态感知功能。这是首次在水下软体蛇形机器人中实现原位形态自感知系统，达到小于1°的关节曲率感知精度。这项工作使软体机器人摆脱了对外部观测系统的依赖，为步态一致性控制奠定了关键基础。

弯曲传感器标定流程

液压驱动的软体蛇形机器人长期面临步态漂移与控制不收敛问题，制约其实用化进程。根本原因在于：系统在结构与执行层面存在微小非对称性，使得周期性驱动过程中软体腔体液体分布逐步积累误差，引发腔压偏差和关节非线性响应，最终导致波形畸变和步态失稳。针对这一挑战，研究团队提出并实现了一种基于周期波形跟踪的迭代学习控制（ILC）框架，通过历史误差驱动的控制信号迭代修正，实现了对误差积累的在线抑制与动态补偿，显著抑制系统漂移，从而使蛇形机器人具备长时稳定、高一致性的步态控制能力。该方法不仅显著提升了软体机器人的运动一致性与控制鲁棒性，还为其他周期驱动类柔性机器人系统提供了一种具有通用性的闭环控制解决方案。

蛇形步态运动在线学习控制框架

▍性能验证：软体蛇也能游得稳、游得长

为全面验证“白龙”蛇形机器人的控制效果，研究团队在户外泳池环境中开展了闭环（ILC控制）与开环系统的对比实验。结果表明，所提出的在线迭代学习控制（ILC）策略能有效驱动各关节角度逐步逼近期望参考轨迹，显著抑制步态误差累积，实现了高一致性与长时稳定的游动能力。

在连续多周期运行中，“白龙”保持了出色的轨迹重复性，其相对速度偏差小于3%，平均偏航偏差仅为1.09°，展现出与刚性机器人系统相当的路径保持性能。同时，其最高游动速度达到7.5 cm/s，同类软体结构中处于领先水平。相比之下，开环控制系统在周期运行中误差迅速累积，造成姿态漂移和轨迹失稳，进一步凸显了ILC策略在软体驱动系统中实现闭环控制的关键作用。

此外，团队还测算了斯特劳哈尔数（Strouhal number），结果稳定接近0.23，这一数值与自然水生动物的典型推进效率高度一致，表明“白龙”已在推进性能上达到了仿生运动的高保真度。

在线ILC的步态控制性能

直线步态下的交叉实验

此外，研究人员还通过交叉实验研究了步态周期和头部角度对转向半径的影响。实验结果表明，“白龙”的转向性能高度可控：随着头部转向角度的增加，转向半径显著减小；同时，在相同步态条件下，运动速度越大，转向半径越小。在此基础上，研究团队进一步分析了不对称步态策略对路径调整能力的影响，发现该策略更适用于大半径、缓变曲线的平稳转向任务。通过结合头部驱动与步态不对称性调控机制，机器人实现了多模态复合转向控制能力，并在实际测试中达成了最小转向半径0.7米的灵巧转向运动表现。

两种转向模式下的实验结果

在自然水体中开展的长时自主运动实验中，“白龙”实现了连续自主游动2小时、累积航程达3公里的稳定运行，展现出优异的系统集成度与能源管理能力。这一结果标志着软体蛇形机器人在持久性、自主性与实用性方面迈出了关键一步，为其向工程化应用过渡提供了重要验证支撑。

▍结语与未来：

“白龙”仿生水下软体蛇形机器人在结构设计、传感集成与步态控制等方面实现了多项技术突破，首次在自然水域中实现了具备自体感知能力的高一致性长时自主游动，验证了软体驱动系统在实际复杂环境下的稳定性与工程潜力。该工作不仅推动了仿生蛇形机器人的功能从“能动”向“能控”演进，也为机器人群体系统、智能水下作业平台等应用方向奠定了坚实基础。

面向未来，研究团队将进一步提升系统的模块化与可扩展性，以增强结构灵活性与任务适应性。同时，团队也将持续优化驱动与控制系统，力求实现更高的推进效率与响应速度，使机器人游动速度达到自然水蛇的生物水平，真正实现软体蛇形机器人从实验验证向高性能水下作业平台的跨越。

研究团队：