Робопчелу научили контролировать рысканье
И летать по заданной траектории
Инженеры разработали прототип миниатюрного орнитоптера под названием Bee++. В воздух он поднимается с помощью четырех крыльев, а его масса составляет 95 миллиграмм. Махолет управляется по тангажу, крену и рысканью и способен летать по заданной траектории. Статья с описанием робопчелы опубликована в журнале IEEE Transactions on Robotics.
В последние годы становятся популярными разработки в области миниатюрных беспилотников, которые по размеру сопоставимы с насекомыми. Миниатюризация вынуждает инженеров отходить от ставшей уже классической схемы с воздушными винтами и электромоторами, так как использовать их эффективно в беспилотниках весом меньше грамма невозможно. Вместо этого инженеры используют схему орнитоптеров — летательных аппаратов, у которых подъемная сила создается за счет периодических взмахов крыльями. Для приведения их в движение обычно применяют пьезоэлектрические актуаторы, передающие усилие на крылья через механическую трансмиссию. Несмотря на то, что эта схема доказала свою работоспособность, большинство из созданных сегодня миниатюрных махолетов не имеют стабильного управления по оси рысканья.
Эту проблему решили инженеры под руководством Нестора Переса-Арансибии (Nestor Perez-Arancibia) из Университета штата Вашингтон. Они построили миниатюрный орнитоптер, который управляется по всем трем осям. Микроорнитоптер, названный Bee++, представляет собой улучшенную версию орнитоптера, представленную авторами в 2019 году. Так же, как и предшественник, Bee++ имеет четыре машущих крыла, приводимых в действие индивидуальными пьезоэлектрическими актуаторами, а его масса составляет 95 миллиграмм. Сверху и снизу на корпус установлены восемь защитных стержней, которые предотвращают махолет от ударов об окружающие предметы. Питание прототип получает через провода.
Несмотря на то, что крылья не имеют механизмов управления углом установки, плоскости их движения имеют заранее определенный наклон. Благодаря этому удается создавать крутящий момент по крену, тангажу и рысканью за счет изменения амплитуды движения пар крыльев. Например, для того чтобы наклонить махолет вперед, амплитуда пары крыльев, расположенных в передней части уменьшается, вследствие чего снижается генерируемая ими тяга. В результате орнитоптер наклоняется заданном направлении. Аналогичным образом происходит управление по оси крена с помощью боковых пар крыльев. Для поворотов по оси рысканья изменяют амплитуду движения пар крыльев, расположенных по диагонали. Набор или снижение высоты происходит при увеличении или снижении частоты взмахов всех четырех крыльев.
Инженерам удалось увеличить частоту движений крыльями, что привело к увеличению тяги на 125 процентов по сравнению с предыдущей версией робопчелы, которая могла лишь держаться в воздухе, но не имела достаточной тяги для управления рысканьем. В испытаниях робопчела продемонстрировала хорошую управляемость по оси рысканья и способность разворачиваться на угол 90 градусов за 50 миллисекунд со скоростью около 1800 градусов в секунду, что сравнимо с характеристиками мухи дрозофилы.
Также робопчела успешно продемонстрировала способность удерживать положение корпуса по оси рысканья при одновременном перемещении по сложной траектории. По словам разработчиков в будущем в созданную ими платформу можно будет интегрировать сенсоры, которые позволят системе управления робопчелы ориентироваться в пространстве.
Ранее мы рассказывали об инженерах из США, создающих крупные орнитоптеры, которые внешне похожи на птиц. Для этого они используют чучела настоящих животных. Корпус одного из прототипов покрыт перьями кеклика, а в его передней части находится голова чучела этой птицы, а во втором беспилотнике используются настоящие крылья голубя.
Для движения ему достаточно одного актуатора
Инженеры разработали миниатюрного робота CurveQuad массой чуть больше 10 грамм. Его гибкий корпус деформируется за счет изогнутых складок и позволяет роботу продвигаться вперед, а также поворачивать, используя для этого только один актуатор. Разработчики продемонстрировали способность CurveQuad автоматически двигаться в направлении источника света, определяя его положение с помощью встроенных фотоэлементов. Текст доклада с описанием робота опубликован в рамках конференции IROS 2023. При поддержке Angie — первого российского веб-сервера Интерес инженеров к разработке миниатюрных роботов связан возможностью выполнять задачи в условиях ограниченного пространства. Например, миниатюрных роботов предлагают использовать для внутренней диагностики механизмов без их разборки, для разведки, и для обследования разрушенных в результате стихийных бедствий зданий в поисках выживших людей. Однако разработка роботов сантиметрового масштаба — непростая задача и ее решение требует множества конструктивных компромиссов. Более сложная походка, например, может добавить роботу проворности, однако одновременно с этим приведет к росту числа степеней свободы конечностей, а значит к увеличению количества используемых актуаторов. Это, в свою очередь, оборачивается усложнением конструкции, увеличением размеров, массы и энергопотребления. Одним из решений этой проблемы могло бы стать применение в конструкции элементов оригами или киригами. Складки упругого материала, выполненные с дополнительным изгибом, позволяют накапливать дополнительную механическую энергию, чем можно воспользоваться, чтобы сократить число актуаторов, необходимых для приведения робота в движение. Такой подход выбрали инженеры под руководством Синтии Сун (Cynthia Sung) из Университета Пенсильвании. Они создали миниатюрного робота под названием CurveQuad, который благодаря изогнутым складкам в конструкции оказался способен передвигаться с помощью всего лишь одного актуатора. Масса робота составляет 10,9 грамм, а ключевая деталь его корпуса представляет собой тонкую прямоугольную пластину из PET-пластика (полиэтилентерефталат) размером 80 × 55 миллиметров. В ней с помощью лазера выполнены прорези в виде последовательно расположенных полукругов, образующих паттерн в форме двух параллельных дуг с каждой стороны пластины, симметрично расположенных относительно центра. Материал в этих областях может легко изгибаться благодаря прорезям, создавая выпуклую и вогнутую складки. В центральной полосе обеих дуг на небольшом расстоянии друг от отдруга закрепляются концы двух «сухожилий» — тяг, которые соединяются противоположной стороной с концами рычага, закрепленного на сервомоторе, ось которого находится в центре пластины. Сервопривод может поворачивать рычаг в диапазоне 270 градусов, при этом «сухожилия», соединяющие концы рычага с корпусом, стягивают его вовнутрь, приводя к изгибам. В зависимости от угла поворота рычага корпус может из плоской пластины принять симметричную куполообразную форму. В этом положении концы пластины начинают играть роль четырех конечностей робота. В промежуточных положениях рычага сервопривода корпус несимметрично деформируется по диагонали. При этом передняя «конечность» приподнимается над поверхностью, а задние смещаются друг относительно друга. Из-за возникающей между ними разности в силах трения в этот момент корпус робота смещается вперед. Если затем такую же деформацию выполнить в противоположную сторону, то робот сделает второй шаг с помощью второй «ноги». Регулируя с помощью угла поворота рычага величину деформации, а следовательно и длину шага слева и справа можно управлять направлением движения робота CurveQuad. https://www.youtube.com/watch?v=RnSHG5F2Iek Для демонстрации возможности управления роботом с помощью обратной связи, инженеры установили на углах корпуса четыре фотоэлемента. Алгоритм сравнивает сигналы, полученные от сенсоров с левой и правой сторон, и в зависимости от того, с какой стороны сигнал больше, выбирает походку, которая поворачивает робота в этом направлении. В результате в каком бы положении робот ни находился изначально, он разворачивается на источник света и начинает двигаться в его направлении. В своей следующей работе инженеры планируют сосредоточиться на взаимодействии между несколькими роботами CurveQuad. Для этого они планируют добавить им возможность общаться друг с другом, чтобы роботы могли выполнять задачи сообща, например, вместе обследовать окружающую территорию. А вот другому микророботу, созданному группой американских и китайских инженеров, для передвижения не нужны сервомоторы. Вперед он движется под действием колебаний встроенной в его корпус пьезоэлектрической пленки, а повороты совершает за счет изменения силы трения между поверхностью и электростатическими площадками на концах передних ног.
