Science 机器人特刊封面报道:像蝙蝠一样飞行的新型机器人

新智元编译  

来源:Science Robotics

编译:刘小芹

新智元导读】 工程师们发明了一种新型的自主飞行器,外形和操纵方法都像蝙蝠一样。该研究发表在最新一期 Science Robotics上,根据报告,这个蝙蝠机器人只有93克重,其敏捷性来源于复杂的机翼设计,这些机翼由碳纤维骨架和上面覆盖的有机硅薄膜组成。再加上每个翼上有九个关节,使得机器人可以调节腿的运动,这有助于它通过使尾巴的薄膜变形实现方向控制。这些部件都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。接下来的挑战是延长电池寿命和开发更强的电子元件,以让机器人能够承受轻微的冲撞。


蝙蝠机器人(bat-bots)是什么呢?工程师们发明了一种新型的自主飞行器,外形和操纵方法都像蝙蝠一样。该研究发表在最新一期 Science Robotics,根据报告,这个蝙蝠机器人只有93克重,其敏捷性来源于复杂的机翼设计,这些机翼由碳纤维骨架和上面覆盖的有机硅薄膜组成。再加上每个翼上有九个关节,使得机器人可以调节腿的运动,这有助于它通过使尾巴的薄膜变形实现方向控制。这些部件都有复杂的算法进行协调,使得机器人可以如同蝙蝠一般飞行,包括倾斜盘旋和俯冲。接下来的挑战是延长电池寿命和开发更强的电子元件,以让机器人能够承受轻微的冲撞。工程师们希望这种高度灵活机动的机器人能够替代四旋翼无人机成为人类的好帮手,它的机翼可以变成任何形状以在建筑勘测中避开横梁,或者在危险地域进行侦查帮助救灾。研究人员们接下来打算教蝙蝠机器人的是:倒挂着栖息。


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研究论文:A biomimetic robotic platform to study flight specializations of bats



论文摘要:


长期以来,蝙蝠吸引着众多科学家和工程师的目光,它们有着无以伦比的敏捷性和机动性,这是通过多功能的动态翼的构造,以及翼上的40多个主动和被动关节实现的。蝙蝠翼的灵活性和复杂的翼动力学不仅为生物学和空中机器人研究带来了独特的视角,而且对机器人建模、设计和控制提出了大量技术挑战。我们模仿蝙蝠翼的这些形态特征,设计了一个完全独立的自主飞行机器人,重量只有93克,我们称之为 Bat Bot(B2)。我们没有使用大量分布式控制器,而是利用高度弹性的硅基膜作为机翼材料,用少量主翼接头进行控制,以最大限度地模仿蝙蝠飞行的形态特征。首先,蝙蝠飞行机制中的主自由度(dominant degrees of freedom,DOF)通过一系列的机械约束方法来识别并结合到B2的设计中。这些生物学意义上的DOF包括臂翼(armwings)的不同步和中间外侧运动,以及腿的背腹侧运动。其次,蝙蝠皮肤在翼的变形状态下的伸展表面和弹性通过覆盖在机翼骨架上的超薄(56微米)膜状皮肤实现。我们已经通过使用一系列虚拟约束来控制有关节的可变形机翼成功让B2实现了自主飞行。



图1:蝙蝠的功能群(functional groups)。图中列举了蝙蝠的关节角度和功能群组;利用这些功能群可以对蝙蝠飞行时四肢的复杂运动进行分类,以及提取主要的DOF并将它们结合到B2的飞行动力学中。所选择的DOF通过一系列的机械约束和虚拟约束进行耦合。



图2:Bat Bot.(A)B2是独立的且能够自我维持;它有一个机载计算机和几个传感器使其在环境中实现自主导航。(B)动态模量分析。(C)定制硅基薄膜和嵌入式碳纤维。



图3:B2机制和电子结构概述。(A)B2的飞行机制和它的DOFs。(B)臂翼只保持一个致动运动,该动作是由位于肩部的主轴机制产生的推拉运动。(C)腿部机制。(D)B2的电子结构。


图4:无障碍飞行和控制器结构。(A)零路径(zero-path)直航的快照。(B)俯冲快照。(C)主控制器由独立控制器C1和变形控制器C2组成。



图5:8次飞行试验的欧拉角度(Euler angles)roll qx,pitch qy 和 yaw qz 随飞行时间的变化。



图6:臂关节角度随时间的变化。



图7:腿关节角度随时间的变化。



图8:在俯冲过程中的关节角度变化。

原文地址:http://robotics.sciencemag.org/content/2/3/eaal2505.full