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編者按：新四翼 RoboBee 使用太陽能電池的原因是，飛行機(jī)器人無法舉起為翅膀提供動力的電池，因此必須使用舷外動力。沒有人想用導(dǎo)線來給飛行器供電，那就意味著要選擇某種無線電源。華盛頓大學(xué)團(tuán)隊使用了激光，哈佛大學(xué)的新 RoboBee 使用了太陽能。

在近日的 Nature 雜志上，由 Robert J. Wood 教授領(lǐng)導(dǎo)的哈佛大學(xué)微機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室（Harvard’s Microrobotics Lab）展示了一個四翼版本的 RoboBee 平臺，并成功實(shí)現(xiàn)無束縛飛行。

就外觀而言，該飛行器有兩大特色：一對額外的翅膀（四翼）和頂部的太陽能電池。它可以在短時間內(nèi)不受束縛地飛行。
四翼飛行器 RoboBee 長 5 厘米，重 259 毫克。頂部是太陽能電池，底部是驅(qū)動電路，它可以把太陽能電池板的電壓提高到 200 伏，這一工作電壓可使翅膀振動頻率達(dá)到 200 赫茲?，F(xiàn)在的結(jié)構(gòu)，可以避免太陽能電池板受到機(jī)翼氣流的影響，同時又能讓機(jī)器人的整體重心保持在機(jī)翼所在位置。該飛行器不需要任何控制，對于持續(xù)時間不到一秒的非常短的開環(huán)飛行，它可以足夠穩(wěn)定。

四翼 VS 兩翼

2013 年，Robert J. Wood 實(shí)驗(yàn)室的一些人，包括當(dāng)時的博士后 Sawyer Buckminster Fuller，在 Science 雜志上發(fā)表了一篇論文，介紹了一種基本上可控的蜜蜂機(jī)器人 RoboBee。第一代蜜蜂機(jī)器人設(shè)計得非常像蜜蜂，由兩個蜜蜂翅膀大小的機(jī)翼驅(qū)動。起初，研究人員認(rèn)為，蜜蜂可以用兩只翅膀做很多事情，那么為什么機(jī)器人不能呢？
從那以后，又出現(xiàn)了好幾代蜜蜂型機(jī)器人，后來事實(shí)證明，兩機(jī)翼小飛行機(jī)器人之所以不能做蜜蜂所做的事情，原因有很多。至少就目前而言，偏航控制等問題就有些棘手，這也是為什么使用四個機(jī)翼而不是兩個的原因之一。

具體來說，研究人員發(fā)現(xiàn)很難控制兩翼微型機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)或偏航。相較而言，四個翅膀使得控制三個軸的方向非常簡單。通過控制不同速度和振幅的翅膀振動，飛行機(jī)器人可以實(shí)現(xiàn)偏航、俯仰和翻轉(zhuǎn)。當(dāng)正常翅膀振動的頻率保持在 160 赫茲左右。在一個方向上減小機(jī)翼振幅，然后在另一個方向增大振幅，這樣可以保持頻率不變，但實(shí)現(xiàn)偏航。


在四翼機(jī)器人的設(shè)計中，橫（x）軸和縱（y）軸轉(zhuǎn)向是通過改變相對機(jī)翼的振幅來實(shí)現(xiàn)的；驅(qū)動豎（z）軸（“轉(zhuǎn)向”）是通過改變相對于另一個方向的速度來實(shí)現(xiàn)的。壓力中心的近似位置用左上角的一個點(diǎn)表示；它到機(jī)器人質(zhì)心的距離由 rcp 給出，箭頭表示四個翅膀每一個的近似振幅值。

今年，在機(jī)器人領(lǐng)域頂級會議 ICRA 也有一些令人印象深刻的研究，它們表明用兩個翅膀控制偏航也是可能的。但是，這么小的微型機(jī)器人，尤其是飛行機(jī)器人，還有一個問題是電池能量儲存。飛行器需要大量的動力起飛，并在空中飛行，這意味著需要一個相對大的電池提供較長時間的電力，這會讓飛行器更重。這就是四翼飛行機(jī)器人的另一個優(yōu)勢了，額外的翅膀意味著有更大的力量，可攜帶更多的東西。而且，有了更大的舉升力，就有了攜帶控制單元的能力，也就有可能實(shí)現(xiàn)一只完全獨(dú)立的飛行機(jī)器人。當(dāng)然，它看起來可能會有點(diǎn)怪異。

太陽能驅(qū)動 VS 激光驅(qū)動

需要指出的是，這并不是我們所見過的第一個能自主飛行的有翼飛行機(jī)器人。去年在 ICRA，西雅圖華盛頓大學(xué)的一個小組展示了一個兩翼機(jī)器人，當(dāng)激光對準(zhǔn)它的光感電池時，它就能起飛。

2018 年，在澳大利亞布里斯班舉行的IEEE機(jī)器人與自動化國際會議上，來自華盛頓大學(xué)的機(jī)器人專家展示了兩翼機(jī)器人 RoboFly，這是一個昆蟲大小的激光驅(qū)動撲翼機(jī)器人，它進(jìn)行了第一次(非常短暫的)不受約束的飛行。


RoboFly 是基于哈佛大學(xué)微型機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的微型機(jī)器人 RoboBee 而設(shè)計的，大小和大黃蜂差不多，重量只有 190 毫克(比牙簽重一些)。它由一束紅外激光提供動力，當(dāng)激光射中飛行器頂部很小的光伏電池時，它就可以收集到讓飛行器升空所需的 250 毫瓦能量。

當(dāng)時，激光沒有跟蹤機(jī)器人，只要光伏電池離開光束，它就會失去動力，機(jī)器人就會停止飛行。研究人員設(shè)想，最終飛行器可以由安裝在天花板上的激光控制，無論它走到哪里，激光都可以跟蹤它，甚至可以安裝在移動的車輛(或其他機(jī)器人)上，無限期地為它提供動力。


哈佛研究人員表示，他們新 RoboBee 飛行機(jī)器人是“持續(xù)飛行”而不僅僅是“升空”，在某種程度上這是開放的解釋，畢竟飛行時間都很短暫。

新四翼 RoboBee 使用太陽能電池的原因是，飛行機(jī)器人無法舉起為翅膀提供動力的電池，因此必須使用舷外動力。沒有人想用導(dǎo)線來給飛行器供電，那就意味著要選擇某種無線電源。華盛頓大學(xué)團(tuán)隊使用了激光，哈佛大學(xué)的新 RoboBee 使用了太陽能。

實(shí)際上，要讓新 RoboBee 飛起來，一個太陽還不夠，可能需要“三個太陽”的照射強(qiáng)度，研究人員用一些強(qiáng)光燈實(shí)現(xiàn)了飛行過程。這意味著四翼 RoboBee 還不能用于戶外操作。研究人員表示，他們正在進(jìn)行的下一步工作是一個比四翼 RoboBee 大 25% 的版本，它應(yīng)該會把所需“太陽”的數(shù)量減少到 1.5 個，這意味著它也許可以在金星之類的地方工作。

在目前的版本中，四翼 RoboBee 確實(shí)為傳感器之類的東西留下了一些重量預(yù)算，但聽起來，研究人員主要關(guān)注的是將電力需求降低到正常光照以下。在四翼 RoboBee 真正實(shí)現(xiàn)自主飛行之前，還需要進(jìn)行一些設(shè)計優(yōu)化和額外的集成工作。

目前，自主飛行機(jī)器人正是朝著這個目標(biāo)前進(jìn)。