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【前沿】四翼昆虫机器人比两翼更好控制

时间:2019-02-19 来源:机器人在线

这个四翼微型机器人使用与哈佛RoboBee相同的压电执行器,只是它有着侧向旋转的结构。它的重量几乎与真正的蜜蜂一样轻,最关键的是,它能够至少再提升260毫克,这对于传感器和电池或超级电容器来说应该足够了。当然,额外的动力来自额外的机翼,虽然不能简单地通过加倍机翼的数量来增加有效载荷的容量,但你可以希望从“不够有效载荷”变为“只有足够的有效载荷”。 


有效载荷只是前几代双翼机器人昆虫的问题,另一个重要的问题是控制其本身。特别是带翅膀的微型机器人会发现很难控制它们的旋转或偏航,但是有四个机翼的机器人却可以简单地控制三个轴。机翼节拍的频率保持恒定在约160赫兹,并且行程幅度指的是机翼在每次行程中前后移动的距离。改变机翼速度意味着在一个方向上比正常行程慢,然后在另一个方向上比正常行程更快。



控制四翼微型机器人

在四翼机器人设计中,通过改变相对翼的行程幅度来驱动滚动(x)和俯仰(y)轴。通过改变行程的一个方向相对于另一个的速度来执行致动偏航(z)轴(“转向”)。压力中心的大致位置用左上图中的点表示,从它到机器人质心的距离由r-cp给出 。箭头表示四个机翼中的每一个的近似行程幅度。



尽管对机器人进行了三轴控制,但让它以稳定和可控的方式飞行仍然不容易。从根本上说,它可能在悬停时被动稳定,这意味着如果经过适当校准,它就会静静地坐在空中,不需要经常注意。


富勒估计,完整的传感器包装重约200毫克,而电力系统重约260毫克,其中一个是机器人目前可以提升的质量。富勒建议重新定位执行器以允许机翼利用相同类型的空气动力学,大甲虫利用飞行可以增加提升高达20%。


IEEE Spectrum:去年你在ICRA展示了一种双翼激光驱动的昆虫。那个设计是如何演变成这个的呢?


Sawyer Buckminster Fuller:  我基本上使用了与该设计相同的基本机翼单元,但增加了两个用于更多有效载荷。现在我们除了电力系统外还可以飞一些传感器! 


为什么以前的小型机器人昆虫专注于双翼设计,无系绳操作有如此重大的挑战?


有一个很好的理由是开始使用两个翅膀的原因:它更简单,并且需要更少的部件。当你刚刚开始弄清楚如何制作这些难以制造的小东西时,从两个翅膀开始就是正确的做法。


双翼的昆虫机器人无法自我操控(也就是说,绕着垂直轴旋转)。当它飞行时,你可以看到它不断地前后旋转,这是因为它无法抑制由风和提供电源和控制信号的电线系绳引起的干扰。实际上我们必须编写一个非常复杂的非线性控制器,以便它可以在这些大旋转的情况下运行。但是,由于各种原因,我们希望能够朝着理想的方向前进,例如将传感器指向某个方向或瞄准起落架。 


这种新设计可以自行操纵,其原因可能是机翼已经远离质心移动,因此它们具有更长的力矩臂,以获得更大的扭矩。这种机器人操纵的方式类似于四旋翼飞行器的操作方式。但是,与其他方向相比,我们改变了一个方向上的拍打动作的速度,而不是改变转子速度。当机翼移动得更快时,阻力更大,从而产生力。问题是力很小,所以我们不得不将机翼向外移动以克服干扰。  


第二个限制是它没有足够的有效负载能力来自己做有趣的事情。我们需要完全自主飞行的套件传感器,无需外部运动捕捉相机 - 陀螺仪,光学流量传感器和小型激光测距仪越来越小,但对于RoboBee来说仍然太重。这种新设计的额外两个机翼可以提供足够的升力来携带这些传感器。我还认为它有足够的有效载荷能力来携带自己的微型超级电容器或电池和升压转换器,以执行电力自主飞行。 


最重要的是让传感器足够小,并获得足够的计算。现在还有微小的晶圆级芯片封装,可以在近200 MHz(ARM M4)上进行浮点运算,因此这也非常有用。最后,我想我们想要运行一个真正的操作系统,也许还要有ROS,但是我们还没有,我们需要有人在一块芯片上制造一台具有我们需要的外围设备的小型计算机,到目前为止它们都是有点太大了。我正在积极寻找有资源为小型机器人量身定制的定制零件的设备合作者。希望在解决这个小规模问题的过程中,我们将提出使用可用于各种规模和其他应用领域的机器人的传感器系统,例如医学领域。 


我们正在考虑如何实现动力自治,传感器自主,两者结合,以及除了行走和飞行之外的新的运动模式,如跳跃。我对外太空中微型机器人的潜力感到非常神奇:发射成本约为每公斤1万美元到低地球轨道,我们只需花几美元就可以装上1克以下的机器人! 

关键字: 前沿科技
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