机器人届的“擎天柱”来了！能够在空中变形以快速栖息的四旋翼机器人
原创 | 文 BTF机器人
你见过可以像鸟类一样用翅膀飞翔，用腿栖息的机器人吗？
近日，伦敦帝国理工学院空中机器人实验室，从滑翔和树栖哺乳动物（如蜜袋鼯和树懒）中汲取灵感，设计出了能够在形态之间转换，通过单向肌腱驱动进行飞行和栖息的四旋翼机器人，以减少机器人在空中的能源消耗。相关研究论文已被刊登在《Scientific reports》：
论文地址：
https://www.nature.com/articles/s41598-022-26066-5#ref-CR1
难点
一直以来，多旋翼无人机（UAV）因其具备垂直升降、悬停等灵活的飞行的性能优势，被广泛应用于在森林冠层和植被高度较低的地方上方成像，以更好的保护野外濒危物种。
在无人机的环境传感器执行任务时，会分为飞行阶段和获取传感器度数阶段。因此如果能使得其更好的在森林中栖息停留，能更好的减少无人机工作能耗、提升续航，提升其在野外整体的工作水平。
对此，已有多位科学家提出了不同的机器人栖息方案：如受壁虎启发，使用基于纤维的粘合剂的飞行机器人栖息机制；受蜘蛛网启发，利用绳索缠绕或磁铁表面上的磁性锚，将机器人停在半空中的方案等。但这些方法无一例外的会在机器人的设计中增加额外的模块，导致机器人的本体重量加大，使得续航时间减少，同时还会增加机器人的尺寸，减少了机器人可进入的空间。
而野外森林环境的苛刻，使空中机器人需要具备高续航能力、小到足够深入密林的体积。现有的在野外空间中部署远程传感器的解决方案受到了诸多的限制，由于螺旋桨的空气动力学特性，机器人的设计需要在机器人的续航时间和机器人的大小重量之间进行权衡。
设计
为了解决上述这些难点，研究人员将变形设计应用于空中机器人的栖息结构中，设计出在不同形状基元之间比变形的多旋翼机械臂，在不额外增加机器人的重量的前提下，实现应对野外各种不同尺寸、形状的植被表面的适应性全身抓取，同时还可以抵抗高空中的风力扰乱。
图1：变形栖息四旋翼机器人。( A ) 栖息任务循环与机器人在锁定、解锁和栖息状态下的图纸。( B ) 原型机器人倒挂在一棵英国橡树上的照片。( C ) 嵌入的钢刺横跨扁平解锁臂。
大自然为机器人技术提供了各种策略，若将这些机制集成到一个整体中，就形成了仿生机制。这种策略的一种形式是变态。变态允许有机体采取各种先天形式，以适应其目标任务或环境。生物体在其生命周期中身体的这种转变使该物种能够适应各种生态变化。
这提高了现在可以依赖不同食物资源、栖息地和竞争的物种的存活率。例如，蜻蜓从幼虫阶段蜕变，获得成年后的飞行能力；青蛙和一些蝾螈等两栖动物也从单纯的水生动物转变为能够在水生和陆地生境中活动。
这种变态和变态机制，在多模态机器人的设计中发挥了重要作用，让变形机器人可以在不同环境中执行不同的任务。从前多通过使用可曲折折纸或软材料来实现空中机器人平台在飞行过程中的自我保护。
而伦敦帝国理工学院，我们提出了一种能够在刚性模式和顺应模式之间变形的机器人：机器人重达650克，拥有一双可以变形的机械手臂，四旋翼手机紧凑精巧，可以在0.97秒内实现飞行与栖息模式的自动配置切换。
在手臂设计方面，研究人员采用了一种符合关节结构的新颖肌腱驱动系统，该系统在平台上占用的空间最小，最终机械臂能够抵抗正负弯曲载荷的侧向折叠变形臂，同时在整个多旋翼飞行包线内具有足够的刚性。
机器人手臂具有三角形、扁平和卷曲3种不同的形态，在这3种不同形态下，机器人分别呈现出飞行锁定状态、手臂完全伸展但无法承受飞行力的解锁状态和栖息状态。
原型机器人从飞行到栖息的性能研究
实验
研究人员将原型机的陆地栖息方法分别在室内、和室内进行了实验。最终机器人在3种状态下的切换速度，变形臂在 0.72 秒内从锁定状态转变为解锁状态，并在 0.25 秒内锁定抓取目标。
在室内环境中，利用有限状态机来检测与目标分支的接触。机器人检测到接触后，会尝试以最小的油门在结构上保持平衡，给了手臂足够的时间来变形和抓握，然后所有旋翼在成功的栖息处关闭。
在森林环境中，机载跟踪摄像头的局限性将户外测试限制为手动驾驶。然而，机器人可以栖息在倾斜的树枝上，分支的平滑度和偏离分支中心的轻微位置导致机器人在电机关闭时滑落。
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