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微型昆蟲機器人飛控升級,可實現全方位飛行

時間:2023-05-29

來源:OFweek機器人網

導語:美國一組大學科研團隊最近推出一款名為Bee 的昆蟲級飛行機器人,該機器人高性能六自由度飛行控制器,是由四個獨立驅動的撲翼讓機器人動起來。

  近幾十年來,科學家們一直嘗試研發一種可以像昆蟲一樣飛行并且體積很小的機器人,這些機器人可以用于狹小空間內或者惡劣的環境中完成的搜救、生物研究、人工授粉等工作,但一直受困于合適的材料以及微型的控制器等因素,研發人員們仍在不斷地尋找更適合的設計方法。

  Bee ++原型機擁有四個由碳纖維和聚脂薄膜制成的機翼以及四個控制每個機翼的輕型驅動器,是第一個能夠在各個方向穩定飛行的原型機,包括被稱為偏航的棘手扭轉運動,Bee ++完全實現了典型飛行昆蟲所顯示的六度自由運動。

  研究團隊提出了一種基于李雅普諾夫的非線性控制架構,可實現閉環位置和姿態調節和跟蹤的方法,控制算法可以通過獨立改變Bee++四個撲動翅膀的振幅來同時穩定位置和姿態,目前的實驗數據證明了在昆蟲規模飛行期間對DOF信號的持續和穩健的高性能跟蹤,這是一個在撲翼微型機器人領域中長期存在的控制問題。

  Bee++的重量為95毫克,翼展為33毫米,雖然科學家們努力地把機器人做的更小巧,但目前仍比蜜蜂大一些,目前該機器人的續航僅僅有5分鐘,需要依賴電纜供電來維持機器人的運行,未來仍需著重攻克續航的問題。

  起初,該研發團隊開發的是一種雙翼的蜜蜂機器人,但這個機器人的機動性能十分受限。早在2019年的時候,團隊曾經制造并試飛成功了一個四翼機器人,該機器人在測試俯仰和滾動等機動動作時候的表現并不優秀,研究人員需要讓前翼以與后翼不同的方式拍打以進行俯仰,并使右翼以與左翼不同的方式拍打以進行滾動,從而產生使機器人旋轉的扭矩。

  據團隊研究員介紹,能夠控制飛行機器人的偏航運動是成功研發飛行機器人的關鍵,他可以使機器人在出現動作偏離的狀態下修正機器人的飛行姿態,保證機器人有足夠的空中穩定性,并且提高偏航運動的能力可以讓機器人更加準確地進行規避機動或跟蹤物體。

  為了機器人可以在空中做出旋轉等機動動作,研究人員們參考了昆蟲的拍打翅膀的方法,將機器人的翅膀移動,使它們在一個傾斜的平面內高頻拍打,從原先的每秒100次增加到160次,初步達到了研究團隊的預期效果。

  華盛頓州立大學機械與材料工程學院副教授Néstor O. Pérez-Arancibia 是這個研發團隊的領導者,他表示:“多年來,人們對如何控制偏航有理論上的想法,但這個問題非常難解決,由于驅動限制,目前還沒有人能夠穩定運行它,已有的一些解決方案主要是針對機器人的物理設計進行優化,我們的方法是發明一種像昆蟲大腦一樣的新型控制器,它可以告訴機器人需要做什么。”


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