南航机器昆虫最新飞行特技！在壁面上着落与起飞，无缝衔接超丝滑

　　大数据文摘受权转载自机器人大讲堂

　　注意看，这只机械昆虫正在展示最新的飞行特技！

　　只见它顺利的着陆在垂直玻璃门上、稍微滑行一下、然后轻松起飞。

　　一连串动作既轻盈、又丝滑，和真昆虫的飞行模式几乎没区别！

　　这段视频在抖音上发布后，网友们开始畅想起它未来的发展及应用：

　　有人说：“我都不敢想如果配合国防科大的蜂群技术，布雷得有多块！”

　　还有网友表示：“可以研究研究南方蟑螂，无论哪个角度都能直冲面门。”

　　这只机械昆虫来自南京航空航天大学，是一只能爬又能飞的“两栖昆虫”。

　　不仅能在玻璃上自如地着陆-起飞，就连墙壁、木门、大理石、树干、甚至帐篷都难不倒它：

　　而它的优势并不是单纯的“爬的远”或“飞得高”，而是两种状态之间的无缝衔接，还是在垂直壁面上，这是目前两栖机器人缺少的重要能力！

　　效仿昆虫的“飞”+“爬”

　　对于蟑螂会飞这件事情，除了想想就头皮发麻外，也侧面说明了昆虫强大的飞行运动能力。

　　昆虫不仅能扑翼飞行，还可以飞到各种壁面上附着并爬行，两种状态切换自如，给科学家们提供了极好的仿生模型。

　　说到“飞”，已经有很多扑翼机器人；提到“爬”，爬墙机器人也不在少数。

　　但两者的结合是一个相当有挑战的课题，现有的悬停扑翼系统难以产生足够的升力来支撑爬墙机器人；而能在多种类型表面附着爬行的爬墙机器人也还不够全面，现有的仿生机器人很少能同时兼具这些运动能力。

　　能够穿梭于空中与壁面间的机器人属于“多模态运动的跨域机器人”，想要实现这一点，还需研究一种新的“飞”与“爬”之间的转换控制方法，这不仅能提升两栖机器昆虫的整体运动性能，也对理解昆虫的起飞和着落具有重要意义！

　　那昆虫的身体结构到底有什么奥秘呢？

　　昆虫对扑动翅膀和身体姿势的控制相当灵活：在悬停时，它扑动翅膀产生向上的的升力，而身体姿势可以任意改变。尤其是在墙壁上降落或起飞时，需要完成一系列复杂的模块化动作，包括身体减速和身体大角度旋转。

　　受到这一点的启发，南京航空航天大学的研究人员也将这种“大角度旋转”融入了仿生机器人中。

　　扑翼旋翼混合布局

　　机械昆虫采用了扑翼与旋翼混合布局：

　　外观看起来像只蜻蜓，一对翅膀（扑翼）水平轴上左右对称，2个旋翼分别在头和尾巴的下方，头部两侧的爬墙转子很像两个大眼睛，尾部是电池。

　　这种混合布局能够为机器人提供稳定的姿态控制：

　　头尾旋翼差速旋转-产生俯仰力矩，为机器昆虫提供俯仰运动和纵向运动的操控；

　　左右扑翼差速扑动-产生滚转力矩，为机器昆虫提供滚转运动和横向运动的操控；

　　矢量偏转舵机驱动头部旋翼动力组偏转，产生航向偏转力矩，为机器昆虫提供偏航运动的操控。

　　机械昆虫的结构可以实现高效可控的飞行，攀爬部分却与昆虫不同，设计在机器人身体上方。机器人飞行时的动力可以为攀爬部分提供气动负压吸附，还能与具有仿生粘附特性的爬行机构产生协同作用，同时还可以抵抗重力引起的倾覆力矩。

　　为了更好的研究机械昆虫在飞行和爬行时各方向的姿态，研究人员还进行了运动学与动力学分析。

　　通过分析，他们由三个欧拉角确定机器人飞行时的姿态，与机器人各个方向的旋转角速率相关，并分析了机器人运动过程中容易失稳的形式以确定旋翼负压系统的吸附力与重力、壁面摩擦系数等参数的关系。

　　协调控制策略

　　要实现垂直壁面上的飞行-着陆-飞行的跨域运动，除了依赖于混合布局外，还需要执行器的协调控制策略。

　　过渡方案大概如下：

　　飞行-着陆

　　机器人减速并缓慢接近墙壁，当前端的粘附垫触壁时，保持飞行稳定、俯仰和横滚姿态自校准，逐渐减小俯仰角，停止扑翼。当俯仰角超过临界角后，预期俯仰力矩逐渐减小，直至完全接触墙壁。

　　着陆-飞行

　　机器人保持头部转子的推力，使其与墙壁持续接触；减小尾桨功率；当判断俯仰角到-60°，自动启动扑翼；后续离墙时，需要精确控制俯仰角和角速度，还需要提前增强尾桨功率以克制重力作用，在机器人达到水平姿态前将下落速度和俯仰角速度降低到几乎为零，使机器人进入稳定可控的悬停飞行。

　　在以上过程中，拥有足够的空气和墙壁控制能力非常重要。具体来说，空中爬墙机器人扑翼和旋翼的混合动力必须能够在所有3个轴上提供足够的扭矩，以实现飞行过程中的姿态控制和爬墙过程中的稳定性。

　　为了验证动力学的设计参数能否提供足够的控制能力，研究人员比较了不同控制信号的输入，对机器人控制能力的影响。

　　最终，机器昆虫完成连续着落飞行转换的最长时间为6.1 秒。飞-爬转换过程耗时0.40 ± 0.03 s，爬-飞转换过程耗时0.70 ± 0.09 s，在竖直壁面的爬行速度为6 cm/s。

　　不仅如此，该方法也提高了飞行速度，机械昆虫室外飞行的最大速度为6.8 m/s！

　　研究者简介

　　这项研究发表在《Research》期刊中，标题为“An Aerial–Wall Robotic Insect That Can Land, Climb, and Take Off from Vertical Surfaces” （一种可以在垂直表面着陆、爬升和起飞的空中墙壁机器人昆虫）。

　　在文章的结尾，研究人员认为目前的机械昆虫尚有不足：例如缺乏对攀爬方向的控制、保持平衡时能量消耗较大等。

　　未来，团队将进一步优化布局设计，改进爬行机构以及旋翼在爬行阶段中对机器人运动方向的控制；还会增加机器昆虫的微观钩爪，做到与真昆虫更相似的爬行机制。

　　除此之外，将来还准备对机器昆虫的导航、感知、自主控制和远距离通信进行补充，利用机器学习来优化飞爬转换过程的动力分配，或针对特定目标进行自主检测、识别和跟踪等。

　　文章的通讯作者：吉爱红，现任南京航空航天大学研究员，博士生导师。主要研究领域包括：运动仿生与智能机器人（主要包括医疗机器人、爬壁机器人、飞行机器人、连续体机器人、并联机构、跨域技术等）

　　另一位通讯作者：郑祥明，现任南京航空航天大学研究员，博士生导师，主要从事飞行器总体设计、新概念微型飞行器设计等方面研究。参与完成我国首架微小型自主飞行侦察无人机等多种型号飞行器的研制工作，获国防科技进步一等奖两项。