Мини-орнитоптер получил эффективную передачу и хвостовые рули
Инженеры из четырех стран разработали небольшой X-образный орнитоптер массой 26 грамм с управляемым хвостом и энергоэффективной механической передачей. Эксперименты показали, что новая передача позволяет увеличить энергоэффективность полета на 40 процентов по сравнению с пропеллером, закрепленном на таком же моторе. Конструкция хвоста и крыльев позволяет аппарату летать вертикально и горизонтально, а также резко разворачиваться, рассказывают авторы статьи в Science Robotics.
Большинство малых беспилотников с возможностью вертикального взлета и посадки (VTOL) имеют конструкцию мультикоптера. Этот тип аппаратов хорошо исследован и для него есть много алгоритмов управления, также мультикоптеры механически довольно просты. Но инженеры работают и над альтернативами, причем не только с конструкцией самолетного типа, но и с конструкцией орнитоптера, который летит, махая крыльями, подобно птицам (хотя часто в них используется четыре крыла, расположенные в виде буквы X).
Исследования с моделированием показывают, что орнитоптер — это аэродинамически более выгодная схема. На практике же в орнитоптерах используется многоэлементная механическая передача между мотором и крыльями, которая из-за трения и наклонов шестерней имеет меньшую эффективность, чем простое крепление винта на вал мотора в мультикоптерах.
Инженеры из Австралии, Китая, Сингапура и Тайваня под руководством Ги Кеонг Лау (Gih-Keong Lau) из Национального университета Цзяо Тун улучшили конструкцию механической передачи для орнитоптеров, чтобы повысить ее эффективность. В целом аппарат имеет стандартную конструкцию с X-образными крыльями из полимерной пленки и тонкими несущими элементами по краям и в центре, придающие крыльям жесткость. Крылья приводятся в действие одним мотором.
От других передовых миниатюрных орнитоптеров, таких как DelFly или KUBeetle-S, новый орнитоптер заметно отличается хвостовым оперением, причем подвижным: обе плоскости могут наклоняться в нужную сторону, работая как рули высоты и направления.
Главные улучшения механической передачи касаются стабилизации вала двигателя и крыльев с помощью подшипников и полимерной рамы. Это позволяет крутящимся валам оставаться на своей изначальной оси почти без отклонений. Еще одно улучшение заключается в том, что на стыках крыльев и центральной части корпуса нет петель. Вместо этого все три детали объединены в одну монолитную, в которой на месте петель просто уменьшена толщина. Это позволяет использовать упругость полимера, особенно при возврате крыльев назад после того, как они разошлись на максимальный угол после взмаха.
Разработчики решили показать эффективность своего орнитоптера, проведя прямое сравнение. Они сравнили мощность и тягу орнитоптера с пропеллерами разного размера, закрепленных на тот же двигатель. Максимальная удельная тяга одного из пропеллеров составила 4,8 грамм-сил на ватт потребляемой мощности при тяге примерно 50 процентов и 4,6 при максимальной тяге. Для орнитоптера этот показатель на максимальной тяге составил 6,4 грамм-сил на ватт.
Инженеры также показали, что сочетание высокой мощности и подвижного хвостового оперения позволяет использовать больше режимов полета. Орнитоптер может летать и зависать на месте вертикально, планировать, летать горизонтально и резко разворачиваться. Для последнего режима он наклоняется наверх и задействует большую площадь крыльев для аэродинамического торможения.
В области орнитоптеров есть и другие интересные разработки, задействующие особенности этой конструкции. Например, в 2019 году американские инженеры научили двукрылый орнитоптер обнаруживать пол или препятствия недалеко от себя благодаря изменению подъемной силы.
Григорий Копиев
И реагировать на них движениями
Американские инженеры связали на автоматическом станке свитеры для роботов, которые помогают ощущать прикосновения с помощью вшитых датчиков нажима. Свитеры пригодятся, чтобы управлять движениями роботов на производстве. Работа доступна на arXiv.org. Для работы на производстве с людьми, роботам нужно быть очень осторожными, чтобы случайно не травмировать человека. Есть разные способы сделать роботов безопасными, например прикреплять к ним мягкие подушки. Другая идея — научить роботов быстро определять контакт и отодвигаться от человека. В отличие от людей, у роботов нет кожи, но для них можно сделать другую систему для распознавания ощущений из жестких или эластичных материалов, или даже одежду из текстиля, если встроить в нее датчики прикосновений. Одежду можно быстро изготавливать на ткацком станке в промышленных масштабах, и надевать на роботов разных форм и размеров. Группа инженеров из Университета Карнеги под руководством Джеймса МакКанна (James McCann) и Ян Вэньчжэня (Yuan Wenzhen) создала свитеры для роботов, которые могут надежно определять прикосновения. По словам авторов, обычно у текстильных сенсоров есть проблема: они быстро деформируются и перестают надежно работать. Исследователи попробовали с этим справиться, связав свитеры из трех слоев пряжи. Верхний и нижний слой сделаны из обычного нейлона, на котором чередуются широкие и узкие полосы. Широкие полосы сотканы из полиэстеровой металлизированной пряжи, которая хорошо проводит электричество, а узкие полосы изолятора сделаны из акрила. Средний слой — это сетка из района (искусственного шелка). Чем она тоньше, тем выше чувствительность свитера к легким прикосновениям, и наоборот — плотный средний слой подходит для сильных нажатий. Слои ткани с помощью пуговиц с проводами соединяются с устройством для считывания сопротивления, и вместе с ним превращаются в электронную схему. Когда кто-то дотрагивается до свитера, верхний и нижний слои ткани соприкасаются через отверстия в районовой сетке, и сопротивление в системе уменьшается. По сопротивлению можно определить силу нажатия. Инженеры протестировали, насколько надежно устройство определяет силу и место контакта со свитером. Первая серия экспериментов проверяла, как эффективность сенсоров меняется со временем. Эксперименты включали 42 секунды контакта с сенсорами по 20-30 раз на протяжении 4 дней. Авторы не приводят точные цифры результатов, но утверждают что сенсоры показывали стабильные результаты по определению места контакта все 4 дня, с небольшими погрешностями в конце эксперимента. Также исследователи протестировали точность сенсоров на плоской и изогнутой поверхности. На плоской поверхности по сопротивлению датчиков можно было точно определить силу нажатия. На изогнутой поверхности корреляция между сопротивлением и силой нажатия сохранилась, но выросло ее стандартное отклонение. Таким образом, сложность поверхности негативно повлияла на точность определения нажатия. Наконец, инженеры проверили эффективность чувствительных свитеров на роботах. Они надели свитер на робота Kuri, который должен был повернуть голову в ответ на прикосновение. В будущем технологию RobotSweater можно использовать, чтобы обучать роботов: например, похлопать по плечу в качестве похвалы. Пока инженеры показали, как свитеры могут пригодиться на производстве: например, промышленный робот в свитере останавливается и меняет направление движения в ответ на прикосновения. https://www.youtube.com/watch?v=YGUV1dHuCRc Прикосновения может определять не только одежда для роботов, но и искусственная кожа, которую разработала группа ученых из Стэнфордского университета. Пока кожу испытали на крысах, но авторы планируют в будущем встроить ее в человеческие протезы, чтобы улучшить их чувствительность.