原創(chuàng) | 文 BTF機器人

你見過可以像鳥類一樣用翅膀飛翔，用腿棲息的機器人嗎？

近日，倫敦帝國理工學(xué)院空中機器人實驗室，從滑翔和樹棲哺乳動物（如蜜袋鼯和樹懶）中汲取靈感，設(shè)計出了能夠在形態(tài)之間轉(zhuǎn)換，通過單向肌腱驅(qū)動進行飛行和棲息的四旋翼機器人，以減少機器人在空中的能源消耗。相關(guān)研究論文已被刊登在《Scientific reports》：

難點

一直以來，多旋翼無人機（UAV）因其具備垂直升降、懸停等靈活的飛行的性能優(yōu)勢，被廣泛應(yīng)用于在森林冠層和植被高度較低的地方上方成像，以更好的保護野外瀕危物種。

在無人機的環(huán)境傳感器執(zhí)行任務(wù)時，會分為飛行階段和獲取傳感器度數(shù)階段。因此如果能使得其更好的在森林中棲息停留，能更好的減少無人機工作能耗、提升續(xù)航，提升其在野外整體的工作水平。

對此，已有多位科學(xué)家提出了不同的機器人棲息方案：如受壁虎啟發(fā)，使用基于纖維的粘合劑的飛行機器人棲息機制；受蜘蛛網(wǎng)啟發(fā)，利用繩索纏繞或磁鐵表面上的磁性錨，將機器人停在半空中的方案等。但這些方法無一例外的會在機器人的設(shè)計中增加額外的模塊，導(dǎo)致機器人的本體重量加大，使得續(xù)航時間減少，同時還會增加機器人的尺寸，減少了機器人可進入的空間。

而野外森林環(huán)境的苛刻，使空中機器人需要具備高續(xù)航能力、小到足夠深入密林的體積?，F(xiàn)有的在野外空間中部署遠程傳感器的解決方案受到了諸多的限制，由于螺旋槳的空氣動力學(xué)特性，機器人的設(shè)計需要在機器人的續(xù)航時間和機器人的大小重量之間進行權(quán)衡。

設(shè)計

為了解決上述這些難點，研究人員將變形設(shè)計應(yīng)用于空中機器人的棲息結(jié)構(gòu)中，設(shè)計出在不同形狀基元之間比變形的多旋翼機械臂，在不額外增加機器人的重量的前提下，實現(xiàn)應(yīng)對野外各種不同尺寸、形狀的植被表面的適應(yīng)性全身抓取，同時還可以抵抗高空中的風(fēng)力擾亂。

大自然為機器人技術(shù)提供了各種策略，若將這些機制集成到一個整體中，就形成了仿生機制。這種策略的一種形式是變態(tài)。變態(tài)允許有機體采取各種先天形式，以適應(yīng)其目標任務(wù)或環(huán)境。生物體在其生命周期中身體的這種轉(zhuǎn)變使該物種能夠適應(yīng)各種生態(tài)變化。

這提高了現(xiàn)在可以依賴不同食物資源、棲息地和競爭的物種的存活率。例如，蜻蜓從幼蟲階段蛻變，獲得成年后的飛行能力；青蛙和一些蠑螈等兩棲動物也從單純的水生動物轉(zhuǎn)變?yōu)槟軌蛟谒完懙厣持谢顒印?/p>

這種變態(tài)和變態(tài)機制，在多模態(tài)機器人的設(shè)計中發(fā)揮了重要作用，讓變形機器人可以在不同環(huán)境中執(zhí)行不同的任務(wù)。從前多通過使用可曲折折紙或軟材料來實現(xiàn)空中機器人平臺在飛行過程中的自我保護。

而倫敦帝國理工學(xué)院，我們提出了一種能夠在剛性模式和順應(yīng)模式之間變形的機器人：機器人重達650克，擁有一雙可以變形的機械手臂，四旋翼手機緊湊精巧，可以在0.97秒內(nèi)實現(xiàn)飛行與棲息模式的自動配置切換。

在手臂設(shè)計方面，研究人員采用了一種符合關(guān)節(jié)結(jié)構(gòu)的新穎肌腱驅(qū)動系統(tǒng)，該系統(tǒng)在平臺上占用的空間最小，最終機械臂能夠抵抗正負彎曲載荷的側(cè)向折疊變形臂，同時在整個多旋翼飛行包線內(nèi)具有足夠的剛性。

機器人手臂具有三角形、扁平和卷曲3種不同的形態(tài)，在這3種不同形態(tài)下，機器人分別呈現(xiàn)出飛行鎖定狀態(tài)、手臂完全伸展但無法承受飛行力的解鎖狀態(tài)和棲息狀態(tài)。

實驗

研究人員將原型機的陸地棲息方法分別在室內(nèi)、和室內(nèi)進行了實驗。最終機器人在3種狀態(tài)下的切換速度，變形臂在 0.72 秒內(nèi)從鎖定狀態(tài)轉(zhuǎn)變?yōu)榻怄i狀態(tài)，并在 0.25 秒內(nèi)鎖定抓取目標。在室內(nèi)環(huán)境中，利用有限狀態(tài)機來檢測與目標分支的接觸。

機器人檢測到接觸后，會嘗試以最小的油門在結(jié)構(gòu)上保持平衡，給了手臂足夠的時間來變形和抓握，然后所有旋翼在成功的棲息處關(guān)閉。

在森林環(huán)境中，機載跟蹤攝像頭的局限性將戶外測試限制為手動駕駛。然而，機器人可以棲息在傾斜的樹枝上，分支的平滑度和偏離分支中心的輕微位置導(dǎo)致機器人在電機關(guān)閉時滑落。

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