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华盛顿大学全新四扑翼机器人,多的双翼为何使它灵活稳定负载高?

2019-02-20 17:45:55来源:

在机器人的研究中,人们一直在向大自然学习,扑翼飞行器便是其中典型的一例。扑翼飞行器即通过模拟昆虫以及鸟类飞行方式制造的一种仿生飞行机器人。扑翼飞行器通过机翼拍打空气的反力作为升力及前推力,与常见的固定翼和旋翼飞行器相比,具有效率高、质量轻、机动性强、耗能低等显著优点,是飞行器发展的一个重要方向。

扑翼飞行器在军事和民用方面具有巨大潜能,在军事侦察、交通管制、灾害预警及搜救、环境监测等多个领域具有一定的应用前景。

今天我们就来介绍一下来自华盛顿大学的微型扑翼机器人。

(robobee)

RoboBee这只小虫子,想必大家不会陌生。作为哈佛大学耗时10年研发出来的微型扑翼机器人,如今其江湖一哥的地位可能不保了

(新型微型四扑翼机器人)

它的新对手正是其同父异母的这款新型微型四扑翼机器人。

历史渊源

Robobee的研发是由哈佛大学RobWood实验室完成。2013年,该实验室在《科学》杂志上发表了一篇关于自主飞行微型机器人的论文,这就是Robobee的诞生

后来该实验室的博士后富勒教授(Sawyer Buckminster Fuller )转到华盛顿大学担任助理教授,并在此期间研发出了这款新型微型四扑翼机器人,可以说是Robobee同父异母的弟弟了

所以这个机器人使用了与哈佛RoboBee相同的压电执行器。

不过整个机器人的重量达到了143毫克,这个质量与蜜蜂更加接近,更为重要的是它还能再提升260毫克。

二四之争

虽然增加了两个翅膀,但是是否带来更大的"收益"呢?

首先来看看两个翅膀的RoboBee,

透过RoboBee设计的质量分布不难看出,它的质心是远在翅膀的平面下的,这样其实是为了提高飞行时的稳定性,但同时也暴露了RoboBee无法对机器人进行有效的自我操控。

只能简单的直上直下,同时,由于无法抑制由风和提供电源、控制信号的电线系绳引起的干扰,在飞行时会不断地前后旋转。

新的微型四扑翼机器人则希望借助四个翅膀解决这个问题。

与四旋翼机器人类似的,通过独立的控制四个机翼的速度和行程幅度达到控制航向的目的。

向左~向右

简单地说原理如下:

首先行程幅度指的是机翼在每次行程中前后移动的距离,那么在扑翼频率一定的情况下,行程幅度越大,产生的升力也就越大。

通过改变相对方向上机翼的行程幅度来驱动滚动(x)和俯仰(y)轴。通过改变行程的相对方向来执行致动偏航(z)轴(“转向”)。

这样就可以实现对姿态角的有效控制。

较平稳的上升

此外在有效负载能力上,由于多的两个旋翼的参与,新的微型四扑翼机器人能够搭载更多的自主飞行的套件传感器——陀螺仪,光学流量传感器和小型激光测距仪,此外足够的升力也可以携带足量的微型超级电容器、电池和升压转换器,以执行电力自主飞行,看来是准备拜托那根烦人的线了。

自主化之路,道阻且长

作为一款微型机器人,如何实现无线小型化是一直需要面对的挑战。

其中最重要的就是缩小传感器的尺寸,并在机器人上配备足够的运算力。

根据富勒教授的介绍,由于消费电子业的存在,为微型传感器的研发产生了促进作用。例如陀螺仪,如果是依靠科研资金研发其效果是远不如依靠整个手机陀螺仪生产产业来的显著的。

未来,富勒教授将会充分利用这一点。

在处理器方面,现在已经有了微小的晶圆级芯片封装技术,可以在近200 MHz(ARM M4)的频率上进行浮点运算。

除了这些硬件方面的问题,打造一个适合微型机器人的机器人系统也是富勒教授面临的一个问题,一个有效的系统是发挥硬件应有水平的重要前提。

同时,富勒教授也表示,在研究微型扑翼机器人的过程中也会提出可用于各种规模和其他应用领域的机器人传感器系统,例如医学领域。

飞入太空

下一步,富勒教授准备实现动力自治,传感器自主,通过改进微型机器人的执行器实现更多的运动模式。

富勒还希望未来能够将微型机器人应用到外太空作业领域。毕竟低地球轨道发射成本约为每公斤1万美元,而我们只需要花几美元就可以将这些微型机器人送上太空。

未来的太空会充满这样的机器虫子吗?

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