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模仿蝙蝠飛行的蝙蝠仿生無人機(jī)

機(jī)器人創(chuàng)作和機(jī)器人機(jī)制的設(shè)計(jì)靈感通常來自動物行為。來自伊利諾伊大學(xué)香檳分校和加利福尼亞理工學(xué)院的研究團(tuán)隊(duì)模仿蝙蝠翅膀結(jié)構(gòu)，成功構(gòu)建了一只完全獨(dú)立自主飛行的機(jī)器人——蝙蝠機(jī)器人（B2）。

蝙蝠在飛行中表現(xiàn)出卓越的敏捷性，這是因?yàn)樗鼈兡軌蚴褂锚?dú)立控制的關(guān)節(jié)來調(diào)節(jié)翼展、翼彎和攻角。B2僅重93克，其形狀像一只真正的蝙蝠，并具有與蝙蝠飛行形態(tài)特性最匹配的可拉伸硅基薄膜翅膀。該機(jī)器人能夠通過彎曲、展開和扭轉(zhuǎn)其肩部、腕部、臀部、肘部和腿部來改變其翼形。

此項(xiàng)研究具有雙重意義。研究蝙蝠飛行能夠?yàn)轱w行機(jī)器人振翼提供寶貴的見解，同時這種蝙蝠仿生機(jī)器人設(shè)計(jì)可以提供更安全的人類/無人機(jī)環(huán)境，具有實(shí)際應(yīng)用意義。許多以前的項(xiàng)目主要模仿昆蟲飛行。大多數(shù)昆蟲的翅膀結(jié)構(gòu)都是單一的未聯(lián)結(jié)結(jié)構(gòu)單元，不像蝙蝠那樣復(fù)雜。與其他飛行動物相比，蝙蝠的飛行機(jī)制獨(dú)一無二。他們的飛行機(jī)制涉及多種不同類型的關(guān)節(jié)（比如球窩關(guān)節(jié)和旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)），這些關(guān)節(jié)將骨骼和肌肉彼此互鎖在一起，形成具有超過40個自由度（DOF）的變質(zhì)肌肉骨骼系統(tǒng)。研究人員表示，蝙蝠飛行的這些方面為飛行機(jī)器人提供了獨(dú)特視角。

與當(dāng)前飛行機(jī)器人（比如四旋翼飛行器）相比，蝙蝠仿生飛行機(jī)器人擁有眾多優(yōu)點(diǎn)。其中最大優(yōu)點(diǎn)就是其柔軟的翅膀。受材料和設(shè)備（比如尖銳的轉(zhuǎn)子葉片或螺旋槳）以及高振幅噪聲限制，傳統(tǒng)的四旋翼飛行器和其他旋翼飛機(jī)被認(rèn)為對人類不安全。另一方面，具有蝙蝠柔韌翅膀的機(jī)器人主要由柔性材料組成，并且振翼頻率更低（7至10Hz，而四旋翼飛行器為100至300Hz）。這種機(jī)器人在穿越不同的環(huán)境時，其操作和飛行更加安全，幾乎不會造成任何損壞。

蝙蝠飛行運(yùn)動學(xué)中的主要自由度在B2的振翼、前肢中間運(yùn)動、手指屈曲伸展、腕部（將手連到前肢的小骨頭）旋前旋后轉(zhuǎn)以及腿背側(cè)運(yùn)動的設(shè)計(jì)中得到了充分體驗(yàn)。

這種“生物學(xué)意義上的”自由度使得研究人員能夠以更簡單的設(shè)計(jì)來模擬蝙蝠的飛行運(yùn)動，但是功能相同。

圖1. 蝙蝠機(jī)器人的飛行機(jī)制及其自由度/?Ramezani等人，2017

蝙蝠機(jī)器人的飛行機(jī)構(gòu)由2個翅膀（左翼和右翼）組成，每個翅膀包括一個前肢和一個后肢機(jī)構(gòu)。左翼和右翼通過機(jī)械振蕩器耦合在一起。憑借曲軸機(jī)構(gòu)，兩只翅膀可以同步朝背腹方向移動。每只翅膀還可以執(zhí)行異步和中間運(yùn)動。影響翅膀后緣的后肢（腿）可以執(zhí)行異步的背腹方向運(yùn)動。前肢由九個環(huán)節(jié)或關(guān)節(jié)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(guān)節(jié)支撐（p1-p5）以及三個數(shù)字鏈接（圖1，右上）。

圖2. 蝙蝠機(jī)器人(B2)的電子部件/?Ramezani等人，2017

B2的獨(dú)特特征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(tǒng)由其板載傳感器、帶編碼器反饋的高性能微型電機(jī)和微處理器組成。傳統(tǒng)的固定翼MAV通常通過推動和常規(guī)控制面來控制，而B2具有九個主動擺動關(guān)節(jié)，需要進(jìn)行適當(dāng)?shù)目刂乒ぷ鞣峙洹?/p>

B2由板載計(jì)算機(jī)以及執(zhí)行自主導(dǎo)航的多個傳感器組成。這些電子產(chǎn)品專門針對這種自主系統(tǒng)定制，而且都配置在機(jī)器人內(nèi)部，這意味著B2的外部沒有電子產(chǎn)品。B2頭部的MCB搭載了一個微處理器，并且能夠?qū)崟r處理導(dǎo)航和控制算法。傳感器數(shù)據(jù)通過數(shù)據(jù)采集單元獲取；數(shù)據(jù)采集單元還負(fù)責(zé)指揮微致動器。傳感單元由小尺寸定制電路板組成，通過記錄兩種測量值與傳感器和MCB相連接。位于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(fù)責(zé)讀取機(jī)器人相對于慣性框架的高度。位于肘部、臀部和拍打關(guān)節(jié)的五個霍爾效應(yīng)編碼器負(fù)責(zé)讀取四肢之間相對于身體的相對角度。

圖3. 蝙蝠機(jī)器人的數(shù)據(jù)流程圖/?Ramezani等人，2017

B2的數(shù)據(jù)流程圖如圖3所示。中心微處理器（STM32F429Zi）負(fù)責(zé)與許多電子設(shè)備通信，其中包括SD卡、IMU（VN-100）、五個霍爾效應(yīng)編碼器（AS5048）和兩個雙直流電機(jī)驅(qū)動器。在無線通信方面，系統(tǒng)配備了兩個8通道微型RC接收器（DSM2）和一個藍(lán)牙設(shè)備，負(fù)責(zé)與主機(jī)或面板進(jìn)行通信。研究人員使用硬件在環(huán)（HIL）仿真試驗(yàn)測試平臺上的控制器。在HIL中，飛行控制器嵌在物理微處理器上，研究人員采用實(shí)時計(jì)算機(jī)作為虛擬設(shè)備（模型），負(fù)責(zé)響應(yīng)虛擬模型的變量狀態(tài)。

蝙蝠翼皮中的彈性網(wǎng)絡(luò)通過覆蓋在翅膀骨骼上的超薄（56微米）皮膚實(shí)現(xiàn)。由于前肢和腿部運(yùn)動的限制，傳統(tǒng)的織物覆蓋材料，比如尼龍膜，并不適合B2機(jī)身。因此，該團(tuán)隊(duì)采用了一種定制硅膠膜，其彈性足以匹敵真實(shí)蝙蝠翼膜的彈性。由于逆向工程無法實(shí)現(xiàn)所有的特性，因此該團(tuán)隊(duì)只將注意力集中在翼膜的幾個屬性上。他們發(fā)現(xiàn)蝙蝠生物皮膚的關(guān)鍵解剖學(xué)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(jī)械約束和反饋控制設(shè)計(jì)，目前設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了主的要振翼關(guān)節(jié)，能夠控制蝙蝠機(jī)器人以六個自由度飛行。蝙蝠具有復(fù)雜的肌肉骨骼系統(tǒng)（即多個主動和被動關(guān)節(jié)），這使得研究人員很難將所有關(guān)節(jié)納入其設(shè)計(jì)中。然而毫無疑問，B2已經(jīng)朝著復(fù)雜蝙蝠運(yùn)動邁出了眾多第一步中的一步。該模型有助于進(jìn)一步研究蝙蝠飛行中的翼展運(yùn)動模式，并重建生物蝙蝠的飛行行為。

Yulhane-Jerez Koh

Yulhane畢業(yè)于加州大學(xué)伯克利分校（UC Berkeley），是一名生物力學(xué)工程師，同時也是美國deviceplus公司的執(zhí)行編輯。Yulhane的主要興趣在于群體機(jī)器人、機(jī)器學(xué)習(xí)和神經(jīng)科學(xué)領(lǐng)域。

審核編輯黃宇