四翼微型機器人，類似無人機，又像四足昆蟲

四翼微型機器人，類似無人機，又像四足昆蟲

這個四翼微型機器人使用與哈佛RoboBee相同的壓電執行器，只是它有著側向旋轉的結構。它的重量幾乎與真正的蜜蜂一樣輕，最關鍵的是，它能夠至少再提升260毫克，這對于傳感器和電池或超級電容器來說應該足夠了。當然，額外的動力來自額外的機翼，雖然不能簡單地通過加倍機翼的數量來增加有效載荷的容量，但你可以希望從“不夠有效載荷”變為“只有足夠的有效載荷”。 

有效載荷只是前幾代雙翼機器人昆蟲的問題，另一個重要的問題是控制其本身。特別是帶翅膀的微型機器人會發現很難控制它們的旋轉或偏航，但是有四個機翼的機器人卻可以簡單地控制三個軸。機翼節拍的頻率保持恒定在約160赫茲，并且行程幅度指的是機翼在每次行程中前后移動的距離。改變機翼速度意味著在一個方向上比正常行程慢，然后在另一個方向上比正常行程更快。

控制四翼微型機器人

在四翼機器人設計中，通過改變相對翼的行程幅度來驅動滾動（x）和俯仰（y）軸。通過改變行程的一個方向相對于另一個的速度來執行致動偏航（z）軸（“轉向”）。壓力中心的大致位置用左上圖中的點表示，從它到機器人質心的距離由r-cp給出 。箭頭表示四個機翼中的每一個的近似行程幅度。

盡管對機器人進行了三軸控制，但讓它以穩定和可控的方式飛行仍然不容易。從根本上說，它可能在懸停時被動穩定，這意味著如果經過適當校準，它就會靜靜地坐在空中，不需要經常注意。

富勒估計，完整的傳感器包裝重約200毫克，而電力系統重約260毫克，其中一個是機器人目前可以提升的質量。富勒建議重新定位執行器以允許機翼利用相同類型的空氣動力學，大甲蟲利用飛行可以增加提升高達20％。

IEEE Spectrum：去年你在ICRA展示了一種雙翼激光驅動的昆蟲。那個設計是如何演變成這個的呢？

Sawyer Buckminster Fuller：  我基本上使用了與該設計相同的基本機翼單元，但增加了兩個用于更多有效載荷。現在我們除了電力系統外還可以飛一些傳感器！ 

為什么以前的小型機器人昆蟲專注于雙翼設計，無系繩操作有如此重大的挑戰？

有一個很好的理由是開始使用兩個翅膀的原因：它更簡單，并且需要更少的部件。當你剛剛開始弄清楚如何制作這些難以制造的小東西時，從兩個翅膀開始就是正確的做法。

雙翼的昆蟲機器人無法自我操控（也就是說，繞著垂直軸旋轉）。當它飛行時，你可以看到它不斷地前后旋轉，這是因為它無法抑制由風和提供電源和控制信號的電線系繩引起的干擾。實際上我們必須編寫一個非常復雜的非線性控制器，以便它可以在這些大旋轉的情況下運行。但是，由于各種原因，我們希望能夠朝著理想的方向前進，例如將傳感器指向某個方向或瞄準起落架。 

這種新設計可以自行操縱，其原因可能是機翼已經遠離質心移動，因此它們具有更長的力矩臂，以獲得更大的扭矩。這種機器人操縱的方式類似于四旋翼飛行器的操作方式。但是，與其他方向相比，我們改變了一個方向上的拍打動作的速度，而不是改變轉子速度。當機翼移動得更快時，阻力更大，從而產生力。問題是力很小，所以我們不得不將機翼向外移動以克服干擾。  

第二個限制是它沒有足夠的有效負載能力來自己做有趣的事情。我們需要完全自主飛行的套件傳感器，無需外部運動捕捉相機 - 陀螺儀，光學流量傳感器和小型激光測距儀越來越小，但對于RoboBee來說仍然太重。這種新設計的額外兩個機翼可以提供足夠的升力來攜帶這些傳感器。我還認為它有足夠的有效載荷能力來攜帶自己的微型超級電容器或電池和升壓轉換器，以執行電力自主飛行。 

最重要的是讓傳感器足夠小，并獲得足夠的計算。現在還有微小的晶圓級芯片封裝，可以在近200 MHz（ARM M4）上進行浮點運算，因此這也非常有用。最后，我想我們想要運行一個真正的操作系統，也許還要有ROS，但是我們還沒有，我們需要有人在一塊芯片上制造一臺具有我們需要的外圍設備的小型計算機，到目前為止它們都是有點太大了。我正在積極尋找有資源為小型機器人量身定制的定制零件的設備合作者。希望在解決這個小規模問題的過程中，我們將提出使用可用于各種規模和其他應用領域的機器人的傳感器系統，例如醫學領域。 

我們正在考慮如何實現動力自治，傳感器自主，兩者結合，以及除了行走和飛行之外的新的運動模式，如跳躍。我對外太空中微型機器人的潛力感到非常神奇：發射成本約為每公斤1萬美元到低地球軌道，我們只需花幾美元就可以裝上1克以下的機器人！