長一寸強一寸：無人機鏈組成空中機械手，可以滯空擰開工業(yè)閥門

 在東京大學 JSK 實驗室，機器人專家開發(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(zhuǎn)子嵌入式多連桿機器人”。這是一種模塊化的飛行機器人，由管道風扇提供動力，可以在飛行中進行轉(zhuǎn)換，通過多個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小孔，再進行各類行動。
如果你覺得，這種機器人的作用僅限于各種晚會上的排列組合，進行美麗的展示，那你就錯了。近期，「龍」機器人有了新的進展，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(xiàn)在更加穩(wěn)固，可以通過大的推力，在空中停滯，并擰開各種角度的工業(yè)閥門。 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，擰開各種角度的工業(yè)閥門。 “迷你”無人機鏈式組合，強大又靈活
對于復雜的室內(nèi)環(huán)境，飛行機器人是如何工作的呢？ 在研究領域，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小開口，并且更容易避開易碎和昂貴的東西，但是這也出現(xiàn)了一些問題，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。 理想情況下，你會想要一個不需要被過分保護的機器人，它既大又強，但同時又小又靈活。 如何做到呢？正如在視頻中看到的「龍」機器人那樣，它就真正實現(xiàn)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，每個模塊都包含一對管道風扇推進器，可以在需要的任何方向上以滾動和俯仰方式驅(qū)動推力矢量推力。這些模塊通過動力鉸鏈接頭相互連接，整個機器人由英特爾 Euclid 驅(qū)動并由電池組供電（提供 3 分鐘的飛行時間，老實說，這比我想象的要長），安裝在機器人的脊椎。這個特殊的原型由四個模塊組成，使其表現(xiàn)得有點像四旋翼，盡管我認為從技術上講它是一個八旋翼。 「龍」機器人 原型機有四個連桿 (a) 通過由伺服電機驅(qū)動的關節(jié) (b) 連接。每個連桿帶有一對涵道風扇推進器 (c)。帶有板載 IMU 和 Intel Euclid 的飛行控制單元（標記為“脊髓”）位于第二個鏈路上。每個鏈路都有一個分布式控制板（標記為“神經(jīng)元”），管道風扇轉(zhuǎn)子由電子速度控制器（轉(zhuǎn)子 ESC）控制。 「龍」機器人 可以直線飛行、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，這個機器人最初就是為了變形而設計的，因此雖然組合起來體積并不小，但是這個機器人也改變形狀以擠過一個小間隙。 最近的研究中，研究人員也將這個機器人概念化為一種可以被強力驅(qū)動的飛行臂，它既可以形成新的形狀，也可以使用這些形狀通過操縱物體與周圍的世界互動。最終，「龍」機器人 將通過多達 12 個相互連接的模塊在空中擺動，它會使用它的兩端來抓取物體，就像一個兩指抓手。 無人機化身“空中扳手”，靈活擰開工業(yè)閥門伴隨扳手動作的空中操控，正是飛行機器人的新型研究領域之一。 通過在空中機器人上附加額外的機械手，各種最先進的作品已經(jīng)實現(xiàn)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現(xiàn)空中操縱和抓取，其中每個環(huán)節(jié)都嵌入了可矢量轉(zhuǎn)子單元。 在空中進行穩(wěn)定操縱和抓取的關鍵是使用具有兩個自由度的轉(zhuǎn)子矢量裝置。首先，考慮到矢量執(zhí)行器的動力學，開發(fā)了一種使用矢量推力進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器的動力學引起的振蕩，并且還允許與外部和內(nèi)部扳手集成以進行對象操縱和抓取。其次，這一新的研究提出了一種使用該鉸接模型的兩端進行雙手物體抓取的在線推力級規(guī)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(guī)劃方法的評估實驗結果。 「龍」機器人目前可以轉(zhuǎn)動一些真正的工業(yè)閥門，閥門轉(zhuǎn)動的力來自螺旋槳推力，而不是機器人身上的執(zhí)行器。雖然我們已經(jīng)看到了許多不同風格的無人機，這些無人機為此釘上了可以被操控的手臂，但是，和這類機器人不同的是，「龍」機器人直接將自身無人機的結構做成了機械手，更容易操控。 不過 「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，但最長飛行時間很有限，目前只有 3 分鐘，只能在無人機實驗室環(huán)境進行飛行測試。 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其電池壽命。這或許也是一個不錯的解決辦法，一旦這一問題被解決，憑借系統(tǒng)所擁有的巨大自由度，可以應對更多現(xiàn)實世界的挑戰(zhàn)。 素材來源：

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