技术:四轴飞行器与机械翅膀,哪个是更好的飞行方式?

如今,如果你想要一台身形小巧、操控灵敏、速度快的飞行器,四轴飞行器是最好的选择,它们造价相对便宜,普通人就能操控。不过,从理论上来讲它并不是最棒的飞行平台,因为自然界里可没有这样的怪家伙,动物们都靠扇动翅膀飞行,因为这样的的飞行方式效率更高,而且机动性更强。不过,人类现有的技术暂时还无法制造类似动物的翅膀,此外对飞行姿态的控制也是难上加难。因此,我们依然要靠四轴飞行器。

不过,科技进步无止境,来自伊利诺伊大学和加州理工学院的 Alireza Ramezani、Soon-Jo Chung 和 Seth Hutchinson 誓要将跨过这两道坎,给机器人插上翅膀。于是他们开始动手研发机器蝙蝠了。

机器蝙蝠(B2)的研发历时数年时间,去年研究人员在斯德哥尔摩的 ICRA(国际机器人顶级会议)上发表了一篇论文。现在,B2 则登上了权威杂志《Science》子刊《Science Robotics》的封面,因此我们决定再来说说机器蝙蝠的现状。

蝙蝠的翅膀与鸟类完全不同,其差异可不只翅膀上有没有羽毛覆盖。通常,当机器学家制作类鸟或类昆虫型的机器人时,它们会尽力去模仿此类动物的翅膀,或者在整个翅膀结构中加入几个刚性部件。

不过,蝙蝠的翅膀工作原理有所不同,其翅膀的底层结构是由变质的肌肉骨骼系统组成的,这套系统自由度(DoF)大于 40,扇动翅膀时,蝙蝠身上的某些骨头甚至会主动变形。此外,蝙蝠翅膀表面表面覆盖了一层具有柔韧度调节能力的非均质薄膜。研究人员表示,如此复杂的飞行系统让蝙蝠获得了超高的敏捷度,但也提高了人们在机器人身上复制这套飞行系统的难度。

由于无法完整的复制蝙蝠“恐怖”的自由度(会造成机器人过于沉重和复杂),研究人员决定将其自由度从 40 直接降到 5(包括肩部、肘部动作,手腕弯曲和腿部与尾巴的左右弯曲)。这样的机器蝙蝠虽然不算完美,但已经可以拥有蝙蝠 57% 的飞行能力。研究人员打造的 B2 机器蝙蝠与埃及果蝠大小类似,翼展为 47 厘米,重量仅为 93 克。

机器蝙蝠的核心组件

B2 需要用到 5 级自由度是翼面形态的要求,伸展、弯曲和扭曲等动作都会影响翼面的底层结构,引发空气动力学上的巨大变化。

B2 的翼面由柔性硅胶膜制成,其厚度仅为 56 微米,因此要想控制这样的“翅膀”完成飞行任务是个巨大的挑战。最终,研发人员用闭环反馈法解决了这一问题。

眼下,B2 已经能在保持稳定的情况下完成直飞、俯冲和转弯等动作,还原蝙蝠的大部分飞行形态了。

蝙蝠是种颇为神奇的动物,它不但能倒吊在洞穴中,还能将抓到的昆虫藏在翅膀中带回家享用。不过,虽然眼下 B2 还不能复制所有蝙蝠的能力,但它已经帮研究人员深入了解了蝙蝠的工作方式,蝙蝠如何扇动翅膀、如何控制飞行状态都不再是个谜。

未来,动作灵活的机器蝙蝠可以负责完成许多极限飞行任务(如狭窄空间中),研究人员也非常看好它未来在建筑工地中的应用。

机器蝙蝠的商业化运营可能还遥遥无期,但要想将其变成现实,研究人员就必须继续努力探索如何完成电池、驱动器和计算设备的小型化和轻量化。

原文发布于微信公众号 - 机器人网(robot_globalsources)

原文发表时间:2017-02-03

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