新发明的四翼飞行器可在短时间内不受束缚地飞行

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）和顶部的太阳能电池。它可以在短时间内不受束缚地飞行。

图丨四翼飞行器 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？

图丨哈佛大学初代 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