擺脫電線 太陽能驅(qū)動(dòng)微機(jī)器人無束縛飛行-亞美尼亞的空運(yùn)
圖:西雅圖華盛頓大學(xué)的一個(gè)小組展示了一個(gè)兩翼機(jī)器人
在近日的 Nature 雜志上,由 Robert J. Wood 教授領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(Harvard’s Microrobotics Lab)展示了一個(gè)四翼版本的 RoboBee 平臺(tái),并成功實(shí)現(xiàn)無束縛飛行。
就外觀而言,該飛行器有兩大特色:一對額外的翅膀(四翼)和頂部的太陽能電池。它可以在短時(shí)間內(nèi)不受束縛地飛行。
圖:四翼飛行器 RoboBee(來源:哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室)
四翼飛行器 RoboBee 長 5 厘米,重 259 毫克。頂部是太陽能電池,底部是驅(qū)動(dòng)電路,它可以把太陽能電池板的電壓提高到 200 伏,這一工作電壓可使翅膀振動(dòng)頻率達(dá)到 200 赫茲,F(xiàn)在的結(jié)構(gòu),可以避免太陽能電池板受到機(jī)翼氣流的影響,同時(shí)又能讓機(jī)器人的整體重心保持在機(jī)翼所在位置。該飛行器不需要任何控制,對于持續(xù)時(shí)間不到一秒的非常短的開環(huán)飛行,它可以足夠穩(wěn)定。
四翼 VS 兩翼
2013 年,Robert J. Wood 實(shí)驗(yàn)室的一些人,包括當(dāng)時(shí)的博士后 Sawyer Buckminster Fuller,在 Science 雜志上發(fā)表了一篇論文,介紹了一種基本上可控的蜜蜂機(jī)器人 RoboBee。第一代蜜蜂機(jī)器人設(shè)計(jì)得非常像蜜蜂,由兩個(gè)蜜蜂翅膀大小的機(jī)翼驅(qū)動(dòng)。起初,研究人員認(rèn)為,蜜蜂可以用兩只翅膀做很多事情,那么為什么機(jī)器人不能呢?
圖:哈佛大學(xué)初代 RoboBee(來源:哈佛微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室)
從那以后,又出現(xiàn)了好幾代蜜蜂型機(jī)器人,后來事實(shí)證明,兩機(jī)翼小飛行機(jī)器人之所以不能做蜜蜂所做的事情,原因有很多。至少就目前而言,偏航控制等問題就有些棘手,這也是為什么使用四個(gè)機(jī)翼而不是兩個(gè)的原因之一。
具體來說,研究人員發(fā)現(xiàn)很難控制兩翼微型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)或偏航。相較而言,四個(gè)翅膀使得控制三個(gè)軸的方向非常簡單。通過控制不同速度和振幅的翅膀振動(dòng),飛行機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)偏航、俯仰和翻轉(zhuǎn)。當(dāng)正常翅膀振動(dòng)的頻率保持在 160 赫茲左右。在一個(gè)方向上減小機(jī)翼振幅,然后在另一個(gè)方向增大振幅,這樣可以保持頻率不變,但實(shí)現(xiàn)偏航。
(來源:華盛頓大學(xué))
在四翼機(jī)器人的設(shè)計(jì)中,橫(x)軸和縱(y)軸轉(zhuǎn)向是通過改變相對機(jī)翼的振幅來實(shí)現(xiàn)的;驅(qū)動(dòng)豎(z)軸(“轉(zhuǎn)向”)是通過改變相對于另一個(gè)方向的速度來實(shí)現(xiàn)的。壓力中心的近似位置用左上角的一個(gè)點(diǎn)表示;它到機(jī)器人質(zhì)心的距離由 rcp 給出,箭頭表示四個(gè)翅膀每一個(gè)的近似振幅值。
今年,在機(jī)器人領(lǐng)域頂級會(huì)議 ICRA 也有一些令人印象深刻的研究,它們表明用兩個(gè)翅膀控制偏航也是可能的。但是,這么小的微型機(jī)器人,尤其是飛行機(jī)器人,還有一個(gè)問題是電池能量儲(chǔ)存。飛行器需要大量的動(dòng)力起飛,并在空中飛行,這意味著需要一個(gè)相對大的電池提供較長時(shí)間的電力,這會(huì)讓飛行器更重。這就是四翼飛行機(jī)器人的另一個(gè)優(yōu)勢了,額外的翅膀意味著有更大的力量,可攜帶更多的東西。而且,有了更大的舉升力,就有了攜帶控制單元的能力,也就有可能實(shí)現(xiàn)一只完全獨(dú)立的飛行機(jī)器人。當(dāng)然,它看起來可能會(huì)有點(diǎn)怪異。
太陽能驅(qū)動(dòng) VS 激光驅(qū)動(dòng)
需要指出的是,這并不是我們所見過的第一個(gè)能自主飛行的有翼飛行機(jī)器人。去年在 ICRA,西雅圖華盛頓大學(xué)的一個(gè)小組展示了一個(gè)兩翼機(jī)器人,當(dāng)激光對準(zhǔn)它的光感電池時(shí),它就能起飛。
2018 年,在澳大利亞布里斯班舉行的IEEE機(jī)器人與自動(dòng)化國際會(huì)議上,來自華盛頓大學(xué)的機(jī)器人專家展示了兩翼機(jī)器人 RoboFly,這是一個(gè)昆蟲大小的激光驅(qū)動(dòng)撲翼機(jī)器人,它進(jìn)行了第一次(非常短暫的)不受約束的飛行。
(來源:華盛頓大學(xué))
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