摆脱电线 太阳能驱动微机器人无束缚飞行
摆脱电线 太阳能驱动微机器人无束缚飞行
内容来源:上海机场货运中心 发布时间:2019-07-08 08:47
摆脱电线 太阳能驱动微机器人无束缚飞行

  图:西雅图华盛顿大学的一个小组展示了一个两翼机器人

  在近日的 Nature 杂志上,由 Robert J. Wood 教授领导的哈佛大学微机器人实验室(Harvard’s Microrobotics Lab)展示了一个四翼版本的 RoboBee 平台,并成功实现无束缚飞行

  就外观而言,该飞行器有两大特色:一对额外的翅膀(四翼)顶部的太阳能电池。它可以在短时间内不受束缚地飞行。

  图:四翼飞行器 RoboBee(来源:哈佛微型机器人实验室)

  四翼飞行器 RoboBee 长 5 厘米,重 259 毫克。顶部是太阳能电池,底部是驱动电路,它可以把太阳能电池板的电压提高到 200 伏,这一工作电压可使翅膀振动频率达到 200 赫兹。现在的结构,可以避免太阳能电池板受到机翼气流的影响,同时又能让机器人的整体重心保持在机翼所在位置。该飞行器不需要任何控制,对于持续时间不到一秒的非常短的开环飞行,它可以足够稳定

  四翼 VS 两翼

  2013 年,Robert J. Wood 实验室的一些人,包括当时的博士后 Sawyer Buckminster Fuller,在?Science?杂志上发表了一篇论文,介绍了一种基本上可控的蜜蜂机器人 RoboBee。第一代蜜蜂机器人设计得非常像蜜蜂,由两个蜜蜂翅膀大小的机翼驱动。起初,研究人员认为,蜜蜂可以用两只翅膀做很多事情,那么为什么机器人不能呢?

  图:哈佛大学初代 RoboBee(来源:哈佛微型机器人实验室)

  从那以后,又出现了好几代蜜蜂型机器人,后来事实证明,两机翼小飞行机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,偏航控制等问题就有些棘手,这也是为什么使用四个机翼而不是两个的原因之一。

  具体来说,研究人员发现很难控制两翼微型机器人的旋转或偏航。相较而言,四个翅膀使得控制三个轴的方向非常简单。通过控制不同速度和振幅的翅膀振动,飞行机器人可以实现偏航、俯仰和翻转。当正常翅膀振动的频率保持在 160 赫兹左右。在一个方向上减小机翼振幅,然后在另一个方向增大振幅,这样可以保持频率不变,但实现偏航。

  (来源:华盛顿大学)

  在四翼机器人的设计中,横(x)轴和纵(y)轴转向是通过改变相对机翼的振幅来实现的;驱动竖(z)轴(“转向”)是通过改变相对于另一个方向的速度来实现的。压力中心的近似位置用左上角的一个点表示;它到机器人质心的距离由 rcp 给出,箭头表示四个翅膀每一个的近似振幅值。

  今年,在机器人领域顶级会议 ICRA 也有一些令人印象深刻的研究,它们表明用两个翅膀控制偏航也是可能的。但是,这么小的微型机器人,尤其是飞行机器人,还有一个问题是电池能量储存。飞行器需要大量的动力起飞,并在空中飞行,这意味着需要一个相对大的电池提供较长时间的电力,这会让飞行器更重。这就是四翼飞行机器人的另一个优势了,额外的翅膀意味着有更大的力量,可携带更多的东西。而且,有了更大的举升力,就有了携带控制单元的能力,也就有可能实现一只完全独立的飞行机器人。当然,它看起来可能会有点怪异。

  太阳能驱动 VS 激光驱动

  需要指出的是,这并不是我们所见过的第一个能自主飞行的有翼飞行机器人。去年在 ICRA,西雅图华盛顿大学的一个小组展示了一个两翼机器人,当激光对准它的光感电池时,它就能起飞。

  2018 年,在澳大利亚布里斯班举行的IEEE机器人与自动化国际会议上,来自华盛顿大学的机器人专家展示了两翼机器人 RoboFly,这是一个昆虫大小的激光驱动扑翼机器人,它进行了第一次(非常短暂的)不受约束的飞行。

  (来源:华盛顿大学)

  RoboFly 是基于哈佛大学微型机器人实验室的微型机器人 RoboBee 而设计的,大小和大黄蜂差不多,重量只有 190 毫克(比牙签重一些)。它由一束红外激光提供动力,当激光射中飞行器顶部很小的光伏电池时,它就可以收集到让飞行器升空所需的 250 毫瓦能量。

  当时,激光没有跟踪机器人,只要光伏电池离开光束,它就会失去动力,机器人就会停止飞行。研究人员设想,最终飞行器可以由安装在天花板上的激光控制,无论它走到哪里,激光都可以跟踪它,甚至可以安装在移动的车辆(或其他机器人)上,无限期地为它提供动力。

  (来源:华盛顿大学)

  哈佛研究人员表示,他们新 RoboBee 飞行机器人是“持续飞行”而不仅仅是“升空”,在某种程度上这是开放的解释,毕竟飞行时间都很短暂。

  新四翼 RoboBee 使用太阳能电池的原因是,飞行机器人无法举起为翅膀提供动力的电池,因此必须使用舷外动力。没有人想用导线来给飞行器供电,那就意味着要选择某种无线电源。华盛顿大学团队使用了激光,哈佛大学的新 RoboBee 使用了太阳能。

  实际上,要让新 RoboBee 飞起来,一个太阳还不够,可能需要“三个太阳”的照射强度,研究人员用一些强光灯实现了飞行过程。这意味着四翼 RoboBee 还不能用于户外操作。研究人员表示,他们正在进行的下一步工作是一个比四翼 RoboBee 大 25% 的版本,它应该会把所需“太阳”的数量减少到 1.5 个,这意味着它也许可以在金星之类的地方工作。

  在目前的版本中,四翼 RoboBee 确实为传感器之类的东西留下了一些重量预算,但听起来,研究人员主要关注的是将电力需求降低到正常光照以下。在四翼 RoboBee 真正实现自主飞行之前,还需要进行一些设计优化和额外的集成工作。

  目前,自主飞行机器人正是朝着这个目标前进。

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