会飞的机器人KUBeetle-S,通过改变翅膀的运动学来产生控制力矩

6月10日，韩国建国大学的研究人员最近创造了一种会飞的机器人KUBeetle-S，灵感来自一种叫做独角仙（Allomyrina dichotoma，双叉犀金龟）的昆虫，它是地球上最大的昆虫之一。独角仙重约5 - 10克，翅膀载荷为40 N/m2，与昆虫翅膀的平均载荷（通常约8 N/m2）相比，已经相当之高了。

“模仿甲虫的飞行，我们首先开发了一个扑机制，可以创建一个大型扑角度和产生振补，以偿KUBeetle-S的重量，就像它的灵感来自角甲虫。”领导这一研究的Hoon Cheol Park教授表示，“由于KUBeetle-S没有在尾部安装控制面，不像传统的飞行器，它的拍动翅膀只能在拍动过程中改变翅膀的运动学来产生控制力矩。”

Park教授和他的同事在KUBeetle-S中安装的控制力矩发生器可以改变机器人的机翼扑向左、右、前、后，最终实现它的垂直升力的改变方向，同时产生控制力矩。该发电机与轻型伺服电机机械集成，也可以通过控制板和基于研究人员开发的算法反馈控制系统进行电子控制。

就像它的灵感来源角甲虫一样，首次出现在《国际微型飞行器杂志》上的KUBeetle-S能在多种运动方式之间切换，包括悬停飞行，其冲程振幅高达180度。在最近发表在预印本arXiv上的一篇论文中，研究人员还能够通过使用低压电源显著提高它的飞行续航力。

“我们最近预发表在arXiv上的论文的主要目的是延长KUBeetle-S机器人的飞行时间或耐力。”Park教授解释道，“我们选择了一副空气动力学效率高的翅膀，并扩大了翅膀面积，使之更像真正的昆虫，从而延长了机器人的耐力。特别是，内侧机翼区域被去除了。”

除了提高机器人翅膀的升力和升力功率比，Park教授和他的同事采用的设计策略降低了整体输入电压。此外，这允许研究人员在机器人马达的工作范围内使用单个LiPo电池，在一个低电压电源下操作KUBeetle-S。

当使用这些新的设计策略时，研究人员进行了一系列的测试来评估KUBeetle-S的性能和耐久性。他们发现，低电压操作可以防止驱动电机过热，增强机器人的耐力。

“我们机器人的另一个关键优势是它重量轻。”参与这项研究的另一位研究员Hoang Vu Phan表示，“由于我们在之前的工作中报告的简单而有效的控制机制，我们可以使用微小的伺服器来减轻重量。重量15.8克的KUBeetle-S是目前为止最轻的双翼机器人，它可以在所有机载部件的情况下自由控制飞行。”

第一个版本的KUBeetle-S重量为16.4g，由一个两个LiPo 7.4 V电池供电。通过改变和扩大机器人的翅膀，研究人员能够将其重量降至15.8克，将其总飞行时间从3分钟提高到近9分钟。

“我们的研究结果表明，找到一种空气动力效率高的机翼对于延长飞行机器人的续航能力至关重要。” Park教授说，“我们还发现，当KUBeetle-S的翅膀载荷接近真正的昆虫时，它能飞得更久，这表明翅膀载荷是一个重要的参数，即使当我们模拟自然界的飞行时也是如此。”

除了提高机器人的耐力和增加它的飞行时间，Park、Phan和他们的同事们引入的新策略允许它向任何方向移动，在户外飞行，并携带额外的有效载荷。这些特性使机器人更适合实际应用，比如将物体从一个地方移动到另一个地方。

在未来，KUBeetle-S还可以用来研究昆虫，更好地理解它们运动背后的机制，比如在苍蝇身上观察到的快速倾斜转弯。由于体积小，它甚至有可能被部署在自然栖息地，收集昆虫和其它野生动物的镜头，或用于执行秘密军事任务。

“在我们接下来的研究中，我们将专注于进一步延长机器人的飞行时间，并安装车载视觉导航系统。” Phan说，“我们还计划看看是否可以提高飞行过渡的稳定性，例如，将它从快速向前飞行变为悬停，以及在有风干扰的情况下提高机器人的飞行灵活性。最终目标将是KUBeetle-S的自动飞行。”

飞行机器人模仿昆虫快速飞行

飞行动物通过拍动翅膀来获得动力和控制飞行。这使得像昆虫这样的小飞虫能够盘旋在花朵附近，同时也能迅速逃离危险。动物飞行一直吸引着生物学家的注意，他们不仅研究它们复杂的翅膀运动模式和空气动力学，还研究它们在敏捷动作过程中的感觉和神经运动系统。近年来，会飞的动物也成为了机器人研究人员的灵感来源，他们试图开发轻巧、高效、甚至可伸缩到昆虫大小的飞行机器人。

2018年9月14日，由代尔夫特理工大学微型飞行器实验室（MAVLab）的研究人员研发的一款灵感来自昆虫的新型飞行机器人在《科学》杂志上亮相。这是第一个自主的、自由飞行的、敏捷的扑翼机器人，它的性能无与伦比，设计简单，易于生产。

与昆虫一样，机器人的翅膀每秒拍动17次，不仅产生保持在空中所需的升力，还通过对翅膀运动的微小调整来控制飞行。受到果蝇的启发，该机器人的控制机制已被证明是非常有效的，允许它在原地悬停，并能灵活地向任何方向飞行。

“机器人最高时速25公里/小时，甚至可以执行激进策略，如360度翻转，像螺旋翻滚和桶滚。”这项研究的第一作者和机器人主设计师Matěj Karasek说，“此外，33厘米的翼展和29克的机器人拥有卓越的功率效率，以它的大小，充满电的情况下，允许5分钟的悬停飞行或超过1公里的飞行范围。”

由于机器人的飞行性能，加上它的可编程性，也使它非常适合研究昆虫飞行。为此，代尔夫特理工大学与瓦赫宁根大学展开了合作。“当我第一次看到机器人飞行时，我惊讶地发现它的飞行方式与昆虫非常相似，尤其是在操控时。我马上想到我们可以用它来研究昆虫的飞行控制和动力学。由于Muijres教授之前对果蝇的研究，该团队决定给机器人编程，以模仿昆虫在高敏捷逃脱过程中的虚拟控制动作，比如避免被击打的动作。

机器人的动作与在果蝇身上观察到的非常相似。这个机器人甚至能够演示果蝇如何控制转弯角度，以最大限度地提高它们的逃脱能力。“与动物实验不同，我们完全控制机器人的‘大脑’。这让我们能够识别和描述一种新的被动空气动力学机制，它可以帮助果蝇，也可能是其它飞行动物，在这些快速倾斜转弯中引导它们的方向。”Karasek补充道。

2019年6月，哈佛大学的Noah Jafferis和他的同事开发出一个太阳能驱动的有翼机器人，这是当时最轻的不需要电源就能飞行的机器人。这个昆虫机器人名为RoboBee X-Wing，重259毫克，有四个翅膀，每秒可以扇动170次。翼展3.5厘米，高6.5厘米。

它的翅膀由两块类似肌肉的板控制，当电流通过时，这两块板会收缩。它们由6块微小的太阳能电池提供动力，每块电池重10毫克，安置在机翼上方，以免干扰飞行。

这个昆虫机器人的翅膀在光照下开始拍打。Jafferis说，当时它只在实验室中进行了测试，由卤素和LED灯的组合供电。该机器人需要三倍于自然阳光强度的光照，因此还不能飞到室外。

来自华盛顿大学的研究人员研制出一种重量为43毫克的机器人，它飞行时没有任何活动部件，但仍需要外部电线供电。

与RoboBee X-Wing不同的是，这种由电力驱动的机器人使用电动力推进。电场产生带电的空气分子与中性空气分子碰撞，产生向上的动量。

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