新设计让机器人昆虫降落在墙壁上并轻松起飞

机器人在各种垂直墙壁上着陆、攀爬和起飞

自然界中的昆虫拥有惊人的飞行技能，可以附着和攀爬各种材料的墙壁。能够执行扑翼飞行、爬墙并在两种运动状态之间平稳切换的昆虫为我们提供了出色的仿生模型。然而，很少有仿生机器人可以执行复杂的运动任务，将攀爬和飞行这两种能力结合起来。

设计具有类似于昆虫拍打翅膀和爬墙技能特征的飞行和攀爬动力系统具有挑战性。飞爬过渡控制策略难以应用于仿生飞爬机器人。

这主要是因为目前可以悬停的扑翼飞行系统很难产生足够的升力来支撑爬墙机器人作为负载，并且对可以附着在各种类型表面上的爬墙机器人的研究并不全面。

此外，为了设计能够有效模拟自然昆虫在墙上降落和起飞的运动模式，仍需研究面向墙壁的飞-爬过渡控制方法。

近日，南京航空航天大学（NUAA）的一个团队开发了一种新的姿态转换控制策略。具有飞行和攀爬能力的仿生机器人可以完成平稳的运动，包括降落在垂直墙上，沿着墙壁攀爬以及从墙上起飞。

“具有跨域移动能力的机器人可以扩展单域机器人的空间，并解决单域机器人面临的问题，例如应用有限，难以与外部物理量交互，”领导这项研究的Aihong Ji说。

空中墙壁机器人已经成功地展示了它从各种复杂的垂直墙壁上着陆、爬升和起飞的能力，包括玻璃、木门、大理石、树皮、弹性布、石灰墙和涂漆铁皮。这一系列的步骤在自然界中很常见，例如，当苍蝇在飞行一段距离后到达某个位置，降落在墙上，爬到感觉舒适的地方，然后飞到下一个地方。它对理解昆虫的起飞和着陆具有重要意义。

机器人昆虫采用扑翼/旋翼混合动力布局，通过旋翼动力的气动负压吸附与具有仿生粘附性能的爬升机构协同组合，实现高效可控的空中飞行，而且在垂直壁上附着和爬升。

“昆虫既可以在空中飞行，也可以爬上墙壁，这得益于它们对拍打翅膀和身体姿势的敏捷控制。他们使用机翼，腿和视觉信息来协调起飞和着陆，“Ji说。“当昆虫盘旋时，拍打翅膀产生的升力是向上的，而身体姿势可以任意改变。特别是在落地或从墙上起飞时，需要完成一系列复杂的模块化动作，包括车身减速和车身大角度旋转。我们受到启发，意识到具有大角度旋转能力的仿生两栖机器人有望通过模仿昆虫对身体姿势的控制来完成飞行和攀爬之间的过渡。

但与昆虫攀爬腿相对于其身体的布局相反，攀爬部分设计在机器人身体上方，Ji指出。所以机器人飞行部分的动力不仅可以为爬升部分提供空气动力学负压吸附，还可以抵抗重力引起的倾覆力矩。

旋翼动力学的纵轴布局设计和控制策略实现了飞爬过渡过程中独特的跨域运动。机器人昆虫提供足够的控制力和扭矩。启动时，摆动/转子混合动力的净垂直推力与油门命令保持近似线性关系。此外，在复合控制信号下，摆动/转子混合动力控制的三轴转矩输入和输出被证明是独立且无干扰的。转矩值满足控制需求，控制分配逻辑合理。

“为了优化仿生两栖机器人的飞爬过渡方案，我们进行了几次预测试，”Ji说。“飞行-爬升过渡过程与混合布局设计密切相关，需要对执行器进行协调控制。”

该团队量化了机器人昆虫的过渡性能。机器人可以在6.1秒内执行连续和完整的空气-墙-空气转换。它使机器人能够在0.4秒（着陆）内越过气墙边界，并在0.7秒（起飞）内越过墙-空气边界。垂直墙上的攀爬速度为6厘米/秒。它展示了空中墙壁机器人在空中飞行和爬墙之间的过渡能力，验证了整体结构布局和控制策略的可行性。

Ji设想在胶垫的注塑模具中加入微观的钩子和爪子，真正实现昆虫钩子和粘垫之间的协同相互作用，这将有助于它们适应复杂的环境。