Исследователи из Нанкинского университета аэронавтики и астронавтики (NUAA) в КНР разработали новую компоновку и систему управления изменением ориентации для бионических роботов-«насекомых», улучшив их способности совершать плавные движения, включая приземление непосредственно на вертикальную стену, лазание по ней и взлет. Об этом сообщает портал TechXplore. Перевод основных положений публикации представлен изданием discover24.ru.
Насекомые в природе обладают особыми навыками полета: они могут «слету» легко и быстро прикрепляться к стенам из различных материалов, а затем свободно карабкаться по ним. Такая способность плавно переключаться между двумя режимами передвижения дает разработчикам робототехники превосходные биомиметические модели. Однако на сегодня очень немногие биомиметические роботы могут успешно выполнять задачи по передвижению, которые сочетают в себе две способности – карабкаться и летать.
На этом пути имеются два главных препятствия. Во-первых, сложно спроектировать «летающе-карабкающиеся» энергетические системы с характеристиками, подобными машущим крыльям насекомого и его навыкам лазания по стенам. Помимо этого, к бионическим роботам весьма трудно применить стандартную стратегию управления, чтобы реализовать переход «полет-карабканье по вертикальной поверхности».
Современным летающим роботизированным системам, которые могут зависать в полете, трудно создать достаточную подъемную силу, чтобы поддерживать движения робота, когда он станет карабкаться по стене, а конструктивные решения для роботов, которые могут прикрепляться к различным типам поверхностей, не являются достаточными. Кроме того, требуется и особый метод управления переходом «полет-карабканье», ориентированный на стену, чтобы разработать соответствующие режимы движения, эффективно имитирующие естественные действия насекомых.
Исследовательская группа NUAA смогла впервые разработать новую специализированную стратегию управления изменением ориентации, благодаря которой бионический робот-«насекомое» со способностью летать и карабкаться может совершать плавные движения, включая приземление на вертикальную стену, лазание по ней и взлет.
«Робот с возможностью междоменного перемещения способен расширить возможности однодоменного робота и устранить многие проблемы, с которыми сталкивается однодоменный робот, такие как ограниченность применения и сложность взаимодействия с внешними физическими препятствиями», – отметил профессор Колледжа механики и электротехники NUAA Айхонг Цзи, который руководил исследованием.
Разработанный Цзи и его коллегами робот-«насекомое» использует гибридную силовую схему «машущее крыло/ротор», которая обеспечивает не только эффективный и хорошо управляемый полет в воздухе, но также прикрепление к вертикальной стене и подъем на нее за счет синергетического сочетания аэродинамического поглощения отрицательного давления мощности ротора и механизм подъема с бионическими характеристиками сцепления.
«Насекомые могут как летать по воздуху, так и карабкаться по стене благодаря их ловкому контролю над взмахами крыльев и положением тела. Они используют крылья, ноги и визуальную информацию для координации взлета и посадки. Подъемная сила, создаваемая взмахами крыльев, направлена вверх, когда насекомое зависает, в то время как положение тела может быть произвольно изменено. При приземлении на стену или взлете с нее необходимо выполнить ряд сложных модульных действий, включая замедление тела и поворот его на большой угол», – пояснил Цзи.
Но в отличие от расположения лапок насекомого относительно его тела, «лазающая» часть робота была в итоге спроектирована над его корпусом. Таким образом, мощность летающей части робота может не только обеспечивать аэродинамическое поглощение отрицательного давления для карабкающейся части, но и противостоять опрокидывающему моменту, вызванному силой тяжести. Чистая вертикальная тяга гибридной мощности закрылков / несущего винта при срабатывании поддерживает приблизительно линейную зависимость по отношению к команде дроссельной заслонки.
Чтобы оптимизировать схему перехода бионического робота- насекомого из режима «полет-карабканье», исследователи провели серию разнообразных испытаний, оценив его «переходные» характеристики. Тесты показали, что робот может выполнять непрерывные и полные переходы цикла «воздух-стена-воздух» за 6,1 с.
Эти характеристики позволяют роботу пересекать границу «воздух-стена» (т.е. осуществлять приземление) всего » за 0,4 с, и делать противоположное пересечение междоменной границы (взлет со стены) за 0,7 с. Скорость подъема по вертикальной стене для робота составила 6 см/с.
Профессор Цзи предполагает, что на дальнейшем этапе исследований конструкция робота-насекомого будет еще более оптимизирована. В частности, микроскопические крючки и когти, будучи добавленными в форму для литья под давлением клейкой подушечки, позволят достичь более эффективного синергетического взаимодействия, чтобы робот смог лучше адаптироваться к сложной среде.