會(huì)飛的機(jī)器人KUBeetle-S,通過(guò)改變翅膀的運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)產(chǎn)生控制力矩

6月10日，韓國(guó)建國(guó)大學(xué)的研究人員最近創(chuàng)造了一種會(huì)飛的機(jī)器人KUBeetle-S，靈感來(lái)自一種叫做獨(dú)角仙（Allomyrina dichotoma，雙叉犀金龜）的昆蟲，它是地球上最大的昆蟲之一。獨(dú)角仙重約5 - 10克，翅膀載荷為40 N/m2，與昆蟲翅膀的平均載荷（通常約8 N/m2）相比，已經(jīng)相當(dāng)之高了。

“模仿甲蟲的飛行，我們首先開發(fā)了一個(gè)撲機(jī)制，可以創(chuàng)建一個(gè)大型撲角度和產(chǎn)生振補(bǔ)，以償KUBeetle-S的重量，就像它的靈感來(lái)自角甲蟲?！鳖I(lǐng)導(dǎo)這一研究的Hoon Cheol Park教授表示，“由于KUBeetle-S沒(méi)有在尾部安裝控制面，不像傳統(tǒng)的飛行器，它的拍動(dòng)翅膀只能在拍動(dòng)過(guò)程中改變翅膀的運(yùn)動(dòng)學(xué)來(lái)產(chǎn)生控制力矩?！?/p>

Park教授和他的同事在KUBeetle-S中安裝的控制力矩發(fā)生器可以改變機(jī)器人的機(jī)翼?yè)湎蜃?、右、前、后，最終實(shí)現(xiàn)它的垂直升力的改變方向，同時(shí)產(chǎn)生控制力矩。該發(fā)電機(jī)與輕型伺服電機(jī)機(jī)械集成，也可以通過(guò)控制板和基于研究人員開發(fā)的算法反饋控制系統(tǒng)進(jìn)行電子控制。

就像它的靈感來(lái)源角甲蟲一樣，首次出現(xiàn)在《國(guó)際微型飛行器雜志》上的KUBeetle-S能在多種運(yùn)動(dòng)方式之間切換，包括懸停飛行，其沖程振幅高達(dá)180度。在最近發(fā)表在預(yù)印本arXiv上的一篇論文中，研究人員還能夠通過(guò)使用低壓電源顯著提高它的飛行續(xù)航力。

“我們最近預(yù)發(fā)表在arXiv上的論文的主要目的是延長(zhǎng)KUBeetle-S機(jī)器人的飛行時(shí)間或耐力?！盤ark教授解釋道，“我們選擇了一副空氣動(dòng)力學(xué)效率高的翅膀，并擴(kuò)大了翅膀面積，使之更像真正的昆蟲，從而延長(zhǎng)了機(jī)器人的耐力。特別是，內(nèi)側(cè)機(jī)翼區(qū)域被去除了?！?/p>

除了提高機(jī)器人翅膀的升力和升力功率比，Park教授和他的同事采用的設(shè)計(jì)策略降低了整體輸入電壓。此外，這允許研究人員在機(jī)器人馬達(dá)的工作范圍內(nèi)使用單個(gè)LiPo電池，在一個(gè)低電壓電源下操作KUBeetle-S。

當(dāng)使用這些新的設(shè)計(jì)策略時(shí)，研究人員進(jìn)行了一系列的測(cè)試來(lái)評(píng)估KUBeetle-S的性能和耐久性。他們發(fā)現(xiàn)，低電壓操作可以防止驅(qū)動(dòng)電機(jī)過(guò)熱，增強(qiáng)機(jī)器人的耐力。

“我們機(jī)器人的另一個(gè)關(guān)鍵優(yōu)勢(shì)是它重量輕。”參與這項(xiàng)研究的另一位研究員Hoang Vu Phan表示，“由于我們?cè)谥暗墓ぷ髦袌?bào)告的簡(jiǎn)單而有效的控制機(jī)制，我們可以使用微小的伺服器來(lái)減輕重量。重量15.8克的KUBeetle-S是目前為止最輕的雙翼機(jī)器人，它可以在所有機(jī)載部件的情況下自由控制飛行。”

第一個(gè)版本的KUBeetle-S重量為16.4g，由一個(gè)兩個(gè)LiPo 7.4 V電池供電。通過(guò)改變和擴(kuò)大機(jī)器人的翅膀，研究人員能夠?qū)⑵渲亓拷抵?5.8克，將其總飛行時(shí)間從3分鐘提高到近9分鐘。

“我們的研究結(jié)果表明，找到一種空氣動(dòng)力效率高的機(jī)翼對(duì)于延長(zhǎng)飛行機(jī)器人的續(xù)航能力至關(guān)重要?！?Park教授說(shuō)，“我們還發(fā)現(xiàn)，當(dāng)KUBeetle-S的翅膀載荷接近真正的昆蟲時(shí)，它能飛得更久，這表明翅膀載荷是一個(gè)重要的參數(shù)，即使當(dāng)我們模擬自然界的飛行時(shí)也是如此?！?/p>

除了提高機(jī)器人的耐力和增加它的飛行時(shí)間，Park、Phan和他們的同事們引入的新策略允許它向任何方向移動(dòng)，在戶外飛行，并攜帶額外的有效載荷。這些特性使機(jī)器人更適合實(shí)際應(yīng)用，比如將物體從一個(gè)地方移動(dòng)到另一個(gè)地方。

在未來(lái)，KUBeetle-S還可以用來(lái)研究昆蟲，更好地理解它們運(yùn)動(dòng)背后的機(jī)制，比如在蒼蠅身上觀察到的快速傾斜轉(zhuǎn)彎。由于體積小，它甚至有可能被部署在自然棲息地，收集昆蟲和其它野生動(dòng)物的鏡頭，或用于執(zhí)行秘密軍事任務(wù)。

“在我們接下來(lái)的研究中，我們將專注于進(jìn)一步延長(zhǎng)機(jī)器人的飛行時(shí)間，并安裝車載視覺導(dǎo)航系統(tǒng)。” Phan說(shuō)，“我們還計(jì)劃看看是否可以提高飛行過(guò)渡的穩(wěn)定性，例如，將它從快速向前飛行變?yōu)閼彝?，以及在有風(fēng)干擾的情況下提高機(jī)器人的飛行靈活性。最終目標(biāo)將是KUBeetle-S的自動(dòng)飛行?！?/p>

飛行機(jī)器人模仿昆蟲快速飛行

飛行動(dòng)物通過(guò)拍動(dòng)翅膀來(lái)獲得動(dòng)力和控制飛行。這使得像昆蟲這樣的小飛蟲能夠盤旋在花朵附近，同時(shí)也能迅速逃離危險(xiǎn)。動(dòng)物飛行一直吸引著生物學(xué)家的注意，他們不僅研究它們復(fù)雜的翅膀運(yùn)動(dòng)模式和空氣動(dòng)力學(xué)，還研究它們?cè)诿艚輨?dòng)作過(guò)程中的感覺和神經(jīng)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。近年來(lái)，會(huì)飛的動(dòng)物也成為了機(jī)器人研究人員的靈感來(lái)源，他們?cè)噲D開發(fā)輕巧、高效、甚至可伸縮到昆蟲大小的飛行機(jī)器人。

2018年9月14日，由代爾夫特理工大學(xué)微型飛行器實(shí)驗(yàn)室（MAVLab）的研究人員研發(fā)的一款靈感來(lái)自昆蟲的新型飛行機(jī)器人在《科學(xué)》雜志上亮相。這是第一個(gè)自主的、自由飛行的、敏捷的撲翼機(jī)器人，它的性能無(wú)與倫比，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，易于生產(chǎn)。

與昆蟲一樣，機(jī)器人的翅膀每秒拍動(dòng)17次，不僅產(chǎn)生保持在空中所需的升力，還通過(guò)對(duì)翅膀運(yùn)動(dòng)的微小調(diào)整來(lái)控制飛行。受到果蠅的啟發(fā)，該機(jī)器人的控制機(jī)制已被證明是非常有效的，允許它在原地懸停，并能靈活地向任何方向飛行。

“機(jī)器人最高時(shí)速25公里/小時(shí)，甚至可以執(zhí)行激進(jìn)策略，如360度翻轉(zhuǎn)，像螺旋翻滾和桶滾?！边@項(xiàng)研究的第一作者和機(jī)器人主設(shè)計(jì)師Matěj Karasek說(shuō)，“此外，33厘米的翼展和29克的機(jī)器人擁有卓越的功率效率，以它的大小，充滿電的情況下，允許5分鐘的懸停飛行或超過(guò)1公里的飛行范圍?！?/p>

由于機(jī)器人的飛行性能，加上它的可編程性，也使它非常適合研究昆蟲飛行。為此，代爾夫特理工大學(xué)與瓦赫寧根大學(xué)展開了合作。“當(dāng)我第一次看到機(jī)器人飛行時(shí)，我驚訝地發(fā)現(xiàn)它的飛行方式與昆蟲非常相似，尤其是在操控時(shí)。我馬上想到我們可以用它來(lái)研究昆蟲的飛行控制和動(dòng)力學(xué)。由于Muijres教授之前對(duì)果蠅的研究，該團(tuán)隊(duì)決定給機(jī)器人編程，以模仿昆蟲在高敏捷逃脫過(guò)程中的虛擬控制動(dòng)作，比如避免被擊打的動(dòng)作。

機(jī)器人的動(dòng)作與在果蠅身上觀察到的非常相似。這個(gè)機(jī)器人甚至能夠演示果蠅如何控制轉(zhuǎn)彎角度，以最大限度地提高它們的逃脫能力。“與動(dòng)物實(shí)驗(yàn)不同，我們完全控制機(jī)器人的‘大腦’。這讓我們能夠識(shí)別和描述一種新的被動(dòng)空氣動(dòng)力學(xué)機(jī)制，它可以幫助果蠅，也可能是其它飛行動(dòng)物，在這些快速傾斜轉(zhuǎn)彎中引導(dǎo)它們的方向?！盞arasek補(bǔ)充道。

2019年6月，哈佛大學(xué)的Noah Jafferis和他的同事開發(fā)出一個(gè)太陽(yáng)能驅(qū)動(dòng)的有翼機(jī)器人，這是當(dāng)時(shí)最輕的不需要電源就能飛行的機(jī)器人。這個(gè)昆蟲機(jī)器人名為RoboBee X-Wing，重259毫克，有四個(gè)翅膀，每秒可以扇動(dòng)170次。翼展3.5厘米，高6.5厘米。

它的翅膀由兩塊類似肌肉的板控制，當(dāng)電流通過(guò)時(shí)，這兩塊板會(huì)收縮。它們由6塊微小的太陽(yáng)能電池提供動(dòng)力，每塊電池重10毫克，安置在機(jī)翼上方，以免干擾飛行。

這個(gè)昆蟲機(jī)器人的翅膀在光照下開始拍打。Jafferis說(shuō)，當(dāng)時(shí)它只在實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行了測(cè)試，由鹵素和LED燈的組合供電。該機(jī)器人需要三倍于自然陽(yáng)光強(qiáng)度的光照，因此還不能飛到室外。

來(lái)自華盛頓大學(xué)的研究人員研制出一種重量為43毫克的機(jī)器人，它飛行時(shí)沒(méi)有任何活動(dòng)部件，但仍需要外部電線供電。

與RoboBee X-Wing不同的是，這種由電力驅(qū)動(dòng)的機(jī)器人使用電動(dòng)力推進(jìn)。電場(chǎng)產(chǎn)生帶電的空氣分子與中性空氣分子碰撞，產(chǎn)生向上的動(dòng)量。

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