蝙蝠機器人:蝙蝠型仿生無人機

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©Caltech

模仿蝙蝠飛行的蝙蝠型仿生無人機

機器人創作和機器人結構的設計靈感通常來自於動物行為。來自伊利諾大學香檳分校和加州理工学院的研究團隊模仿了蝙蝠的翅膀結構,成功構建了一支可完全自主飛行的機器人—蝙蝠型機器人(B2)。

蝙蝠在飛行中表現出卓越的敏捷性,這是因為牠們能夠使用獨立控制的關節來調節翼展、翼彎和攻角。B2僅重93克,其形狀像一隻真正的蝙蝠,並具有與蝙蝠飛行形態特性最匹配的可延伸矽基薄膜翅膀。該機器人能夠通過彎曲、展開和扭轉其肩部、腕部、臀部、肘部和腿部來改變其翼形。

此項研究具有雙重意義。研究蝙蝠飛行能夠為振翅型飛行機器人提供許多寶貴的見解,同時這種蝙蝠型仿生機器人設計可以提供更安全的人類/無人機環境,具有實際應用意義。很多過去的研究專案主要是模仿昆蟲飛行。大多數昆蟲的翅膀結構都是單一的分離式結構單元,不像蝙蝠那樣複雜。與其他飛行動物相比,蝙蝠的飛行機制是獨一無二的。他們的飛行機制與多種不同類型的關節產生關連性(比如球窩關節和旋轉關節),這些關節將骨骼和肌肉彼此連結在一起,形成具有超過40個自由度(DOF)的變質肌肉骨骼系統。研究人員表示,蝙蝠飛行時的這些特色為飛行機器人提供了獨特的觀點。

與當前飛行機器人(比如四旋翼飛行器)相比,蝙蝠型仿生飛行機器人擁有眾多優點。其中最大優點就是其柔軟的翅膀。受材料和設備(比如尖銳的轉子葉片或螺旋槳)以及高振幅雜訊限制,傳統的四旋翼飛行器和其他旋翼飛機被認為對人類不安全。另一方面,具有類似蝙蝠可彎曲翅膀的機器人主要由柔性材料所組成,而且振翼頻率更低(7至10Hz,而四旋翼飛行器為100至300Hz)。這種機器人在穿越不同的環境時,其操作和飛行會更加安全,幾乎不會造成任何損壞。

蝙蝠飛行運動學中的主要自由度在B2的振翼、前肢中間運動、手指屈曲伸展、腕部(將手連到前肢的小骨頭)旋前旋後轉以及腿背側運動的設計中得到了充分體驗。

這種“生物學意義上的”自由度使得研究人員能夠以更簡單的設計來模擬蝙蝠的飛行運動,但是功能相同。

 

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圖1. 蝙蝠型機器人的飛行機制及其自由度/©Ramezani等人,2017

蝙蝠型機器人的飛行機構由二個翅膀(左翼和右翼)組成,每個翅膀包括一個前肢和一個後肢機構。左翼和右翼通過機械振盪器耦合在一起。透過曲軸機構,兩支翅膀可以同步朝背腹方向移動。每支翅膀還可以執行非同步和中間運動。影響翅膀後緣的後肢(腿)可以執行非同步的背腹方向運動。前肢由九個環節或關節組成:肱骨(p0-p1)、肱骨支撐(p1-p2)、橈骨(p1-p3)、橈骨支撐(p4-p5)、腕骨(p3-p4)、腕關節支撐(p1-p5)以及三個數位連結(圖1,右上)。

 

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圖2. 蝙蝠型機器人(B2)的電子元件/©Ramezani等人,2017

B2的獨特特徵之一就是可以在沒有遙控器的情況下飛行。B2的飛行控制系統由其機上感測器、具編碼器回饋功能的高性能微型馬達和微處理器所組成。傳統的固定翼微型飛機通常透過推動和常規控制面來進行控制,而B2具有九個主動擺動關節,需要進行適當的控制工作分配。

B2由機上電腦以及執行自主導航的多個感測器所組成。這些電子產品專門針對這種自主系統所打造,而且都配置在機器人內部,這意味著B2的外部沒有任何電子產品。B2頭部的微電腦板搭載了一個微處理器,並且能夠即時處理導航和控制演算法。感測器資料透過資料擷取單元來取得;資料擷取單元還負責指揮微致動器。感測器單元由小尺寸客製化電路板所組成,透過記錄二種測量值與感測器和微電腦板相連接。位於胸腔中的慣性測量單元(IMU)(其中x軸指向前方,而y軸指向上方)負責讀取機器人相對於慣性框架的高度。位於肘部、臀部和上下擺動關節的五個霍爾效應編碼器負責讀取四肢之間相對於身體的相對角度值。

 

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圖3. 蝙蝠型機器人的資料流程圖/©Ramezani等人,2017

B2的資料流程圖如圖3所示。中央微處理器(STM32F429Zi)負責與許多電子設備通信,其中包括SD卡、IMU(VN-100)、五個霍爾效應編碼器(AS5048)和兩個雙直流電機驅動器。在無線通訊方面,系統配備了二個八通道微型RC接收器(DSM2)和一個藍牙設備,負責與主機或面板進行通訊。研究人員使用硬體電路模擬(HIL)被用來測試平台上的控制器。在HIL中,飛行控制器嵌在物理微處理器上,研究人員採用即時電腦作為虛擬裝置(模型),負責回應虛擬模型的變數狀態。

蝙蝠翼皮中的彈性網路透過覆蓋在翅膀骨骼上的超薄(56微米)皮膚來實現。由於前肢和腿部運動的限制,傳統的織物覆蓋材料,比如尼龍膜,並不適合B2機身。因此,該團隊採用了一種客製化矽膠膜,其彈性足以匹敵真實蝙蝠翼膜的彈性。由於逆向工程無法實現所有的特性,因此該團隊只將注意力集中在翼膜的幾個屬性上。他們發現蝙蝠生物皮膚的關鍵解剖學特性如下:1)單位面積重量(面積密度);2)拉伸模量;和3)拉伸性。

 

 

通過一系列機械約束和回饋控制設計,目前設計實現了主要振翼關節,能夠控制蝙蝠型機器人以六個自由度飛行。蝙蝠具有複雜的肌肉骨骼系統(即多個主動和被動關節),這使得研究人員很難將所有關節納入其設計中。然而毫無疑問,B2已經朝著複雜蝙蝠運動邁出了第一步。該模型有助於進一步研究蝙蝠飛行中的翼展運動模式,並重建生物蝙蝠的飛行行為。