Китайские инженеры создали четырехкрылого робожука

Китайские инженеры разработали гибридный орнитоптер JT-fly. Он способен летать с помощью четырех машущих крыльев и умеет ходить, используя для этого шесть ног. Также робот может самостоятельно вставать на ноги после падения на спину и взлетать из горизонтального положения. Скорость полета JT-fly достигает пяти метров в секунду, а по поверхности он может передвигаться со скоростью до 30 сантиметров в секунду. На разработку обратило внимание издание IEEE Spectrum, статья опубликована в IEEE Robotics and Automation Letters.

Летательные аппараты с машущими крыльями, повторяющие строение и принципы полета насекомых, демонстрируют высокую аэродинамическую эффективность в малых масштабах. А отсутствие вращающихся пропеллеров, характерных для мультикоптеров, делает махолеты более безопасными для окружающих и снижает уровень шума. Однако, как и другие дроны, орнитоптеры, обладая высокой свободой передвижения, расплачиваются за нее слабой энергоэффективностью, — полет требует высоких затрат энергии.

Инженеры пытаются обойти это ограничение через создание гибридов, которые объединяют в одной конструкции летающих роботов с возможностями более энергоэффективных наземных. Например, инженеры из Нанкинского университета аэронавтики и космонавтики ранее разработали гибридный орнитоптер с небольшими вспомогательными воздушными винтами и гусеничным приводом, благодаря которому дрон способен садиться и передвигаться даже по вертикальным поверхностям, экономя при этом энергию.

Группа разработчиков под руководством Лю У (Wu Liu) из Шанхайского университета Джао Тонг пошла несколько другим путем и скрестила орнитоптер JT-fly с ходячим шестиногим роботом. У них получился небольшой гибридный робожук массой около 35 грамм с четырьмя крыльями размахом 33 сантиметра. Крылья разделены на два блока, в каждом из которых есть по два крыла, которые машут в противоположных направлениях. Это снижает вибрацию и позволяет использовать эффект от хлопка соударяющихся крыльев для увеличения подъемной силы. Мембрана крыльев изготовлена из тонкой полиэфирной пленки, а передняя кромка — из углеродных стержней. Машущий механизм приводится в движение двумя бесколлекторными электродвигателями через двухступенчатые редукторы.

Управление JT-fly в воздухе по шести степеням свободы производится за счет изменения угла наклона плоскости крыльев и частоты махов. Два сервопривода, установленные в основании каждой пары крыльев, позволяют независимо регулировать их угол наклона по отношению к корпусу. Крен регулируется путем изменения частоты взмахов левой и правой пары крыльев. Если левая пара машет чаще правой, робот наклоняется влево, и наоборот. Управление тангажом происходит за счет одновременного изменения углов наклона плоскости взмахов обеих пар крыльев, а за рысканье отвечает асинхронное изменение угла наклона плоскостей левого и правого блока крыльев в противоположных направлениях. Например, если левая пара наклонена вперед, а правая — назад, робот начинает вращаться влево. Наконец, вертикальное перемещение регулируется общей тягой: чем чаще машут крылья, тем больше создаваемая ими тяга и тем быстрее робот поднимается.

По поверхности робот передвигается за счет шести ног, которые приводятся в движение двумя независимыми электромоторами через редукторы. Управление направлением движения происходит за счет разницы в скорости вращения этих электромоторов, что приводит к различию в частоте шагов левого или правого набора ног.

За управление в JT-fly отвечает плата автопилота с микроконтроллером, инерциальным измерительным блоком (IMU) и барометром. IMU измеряет угловые скорости и ускорения робота, а барометр — высоту. Микроконтроллер обрабатывает данные с датчиков и вырабатывает сигналы управления для сервоприводов, используя алгоритм пропорционально-интегрально-дифференциального регулирования (PID). Оператор может управлять направлением полета робота дистанционно с помощью пульта.

В ходе испытаний JT-fly показал, что может устойчиво летать, маневрировать в воздухе, летая восьмеркой между двумя препятствиями, ходить по поверхности, меняя направление, самостоятельно взлетать из горизонтального положения и совершать посадку, вставая на ноги. Кроме этого, с помощью крыльев робот способен самостоятельно вставать из перевернутого положения. Максимальная скорость полета JT-fly составила пять метров в секунду, а скорость ползания по горизонтальной поверхности — 30 сантиметров в секунду. С литий-ионным аккумулятором емкостью 380 миллиампер-час робот может продержаться в воздухе около восьми минут, а в режиме ползания проработать более 60 минут.

Инженеры немецкой компании Festo, занимающейся разработкой и производством промышленного оборудования, недавно представили другой орнитоптер — BionicBee. Дрон имеет почти такую же массу, как JT-fly — 34 грамм, но, в отличие от последнего, удерживается в воздухе лишь двумя машущими крыльями. Главная же особенность роботизированной пчелы — способность автономно действовать в рое из десяти роботов.

Источник: N+1

Фото: Chaofeng Wu et al. / IEEE Robotics and Automation Letters, 2024