最近，空中機器人正在受到廣泛的關(guān)注，其中最具潛力的領(lǐng)域之一是室內。一旦無(wú)人機飛行器進(jìn)入室內，就會(huì )有各種各樣的障礙物出現，比如門(mén)、墻壁、窗戶(hù)、人、家具、懸掛植物、燈罩等這對空中機器人來(lái)說(shuō)是非常危險的。 在東京大學(xué) JSK 實(shí)驗室，機器人專(zhuān)家開(kāi)發(fā)了一種名為「龍（Dragon）」 的機器人，它代表“具有多自由度空中變換能力的雙轉子嵌入式多連桿機器人”。這是一種模塊化的飛行機器人，由管道風(fēng)扇提供動(dòng)力，可以在飛行中進(jìn)行轉換，通過(guò)多個(gè)機器人的鏈式疊加變換隊列，組成不同的形狀，從方形到蛇形，再到介于兩者之間的任何東西，這樣組成的機器人可以在空中伸展穿過(guò)小孔，再進(jìn)行各類(lèi)行動(dòng)。
如果你覺(jué)得，這種機器人的作用僅限于各種晚會(huì )上的排列組合，進(jìn)行美麗的展示，那你就錯了。近期，「龍」機器人有了新的進(jìn)展，可以真的在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮自己的效用。 在最近的幾篇論文中，東京大學(xué)的 Moju Zhao 及其同事介紹了「龍」機器人的一些功能更新，這一機器人現在更加穩固，可以通過(guò)大的推力，在空中停滯，并擰開(kāi)各種角度的工業(yè)閥門(mén)。
比如，在空中組成不同的形狀。
組成四角形的形狀在空中停留。
在復雜環(huán)境中，擰開(kāi)各種角度的工業(yè)閥門(mén)。
“迷你”無(wú)人機鏈式組合，強大又靈活
對于復雜的室內環(huán)境，飛行機器人是如何工作的呢？ 在研究領(lǐng)域，一種解決方案是制作非常小型的機器人，這樣它們就可以穿過(guò)小開(kāi)口，并且更容易避開(kāi)易碎和昂貴的東西，但是這也出現了一些問(wèn)題，太小的飛行機器人可以承擔的工作也很有限； 另一種解決方案是將飛行機器人放在保護籠中，但這也導致機器人很難與外界互動(dòng)。 理想情況下，你會(huì )想要一個(gè)不需要被過(guò)分保護的機器人，它既大又強，但同時(shí)又小又靈活。 如何做到呢？正如在視頻中看到的「龍」機器人那樣，它就真正實(shí)現了大小和靈活度之間的平衡。 「龍」機器人由一系列鏈接在一起的微小機器人模塊組成，每個(gè)模塊都包含一對管道風(fēng)扇推進(jìn)器，可以在需要的任何方向上以滾動(dòng)和俯仰方式驅動(dòng)推力矢量推力。這些模塊通過(guò)動(dòng)力鉸鏈接頭相互連接，整個(gè)機器人由英特爾 Euclid 驅動(dòng)并由電池組供電（提供 3 分鐘的飛行時(shí)間，老實(shí)說(shuō)，這比我想象的要長(cháng)），安裝在機器人的脊椎。這個(gè)特殊的原型由四個(gè)模塊組成，使其表現得有點(diǎn)像四旋翼，盡管我認為從技術(shù)上講它是一個(gè)八旋翼。
「龍」機器人 原型機有四個(gè)連桿 (a) 通過(guò)由伺服電機驅動(dòng)的關(guān)節 (b) 連接。每個(gè)連桿帶有一對涵道風(fēng)扇推進(jìn)器 (c)。帶有板載 IMU 和 Intel Euclid 的飛行控制單元（標記為“脊髓”）位于第二個(gè)鏈路上。每個(gè)鏈路都有一個(gè)分布式控制板（標記為“神經(jīng)元”），管道風(fēng)扇轉子由電子速度控制器（轉子 ESC）控制。 「龍」機器人 可以直線(xiàn)飛行、盒子飛行、“L”形飛行，也可以具有更復雜的 3D 形狀，如鋸齒形或螺旋形。 令人興奮的是，這個(gè)機器人最初就是為了變形而設計的，因此雖然組合起來(lái)體積并不小，但是這個(gè)機器人也改變形狀以擠過(guò)一個(gè)小間隙。 最近的研究中，研究人員也將這個(gè)機器人概念化為一種可以被強力驅動(dòng)的飛行臂，它既可以形成新的形狀，也可以使用這些形狀通過(guò)操縱物體與周?chē)氖澜缁?dòng)。最終，「龍」機器人 將通過(guò)多達 12 個(gè)相互連接的模塊在空中擺動(dòng)，它會(huì )使用它的兩端來(lái)抓取物體，就像一個(gè)兩指抓手。 無(wú)人機化身“空中扳手”，靈活擰開(kāi)工業(yè)閥門(mén)伴隨扳手動(dòng)作的空中操控，正是飛行機器人的新型研究領(lǐng)域之一。 通過(guò)在空中機器人上附加額外的機械手，各種最先進(jìn)的作品已經(jīng)實(shí)現了空中操縱和抓取。然而，這種耦合平臺在相互作用力和機動(dòng)性方面存在局限性。在「龍」機器人 的新研究中，新型鉸接式空中機器人成功實(shí)現空中操縱和抓取，其中每個(gè)環(huán)節都嵌入了可矢量轉子單元。 在空中進(jìn)行穩定操縱和抓取的關(guān)鍵是使用具有兩個(gè)自由度的轉子矢量裝置。首先，考慮到矢量執行器的動(dòng)力學(xué)，開(kāi)發(fā)了一種使用矢量推力進(jìn)行空中變換的綜合飛行控制方法。這種提出的控制方法可以抑制由于矢量致動(dòng)器的動(dòng)力學(xué)引起的振蕩，并且還允許與外部和內部扳手集成以進(jìn)行對象操縱和抓取。其次，這一新的研究提出了一種使用該鉸接模型的兩端進(jìn)行雙手物體抓取的在線(xiàn)推力級規劃方法。最后，我們展示了對所提出的用于對象操縱和抓取的控制和規劃方法的評估實(shí)驗結果。 「龍」機器人目前可以轉動(dòng)一些真正的工業(yè)閥門(mén)，閥門(mén)轉動(dòng)的力來(lái)自螺旋槳推力，而不是機器人身上的執行器。雖然我們已經(jīng)看到了許多不同風(fēng)格的無(wú)人機，這些無(wú)人機為此釘上了可以被操控的手臂，但是，和這類(lèi)機器人不同的是，「龍」機器人直接將自身無(wú)人機的結構做成了機械手，更容易操控。 不過(guò) 「龍」機器人 目前的使用仍然存在很多限制。它重達 7.6 公斤，雖然其有效載荷為 3.4 公斤，但最長(cháng)飛行時(shí)間很有限，目前只有 3 分鐘，只能在無(wú)人機實(shí)驗室環(huán)境進(jìn)行飛行測試。 研究者表示，他們正在考慮讓 「龍」機器人能夠在地面上行走以延長(cháng)其電池壽命。這或許也是一個(gè)不錯的解決辦法，一旦這一問(wèn)題被解決，憑借系統所擁有的巨大自由度，可以應對更多現實(shí)世界的挑戰。 素材來(lái)源：
https://spectrum.ieee.org/dragon-robot-flying-manipulator
https://spectrum.ieee.org/flying-dragon-robot-transforms-itself-to-squeeze-through-gaps
https://ieeexplore.ieee.org/document/9720963
https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/02783649221112446
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