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Science Robotics 香港城市大学开发了具有协同混合运动的敏捷单足跳跃四轴飞行器

机器人大讲堂 · 公众号 · · 2024-04-12 16:00

正文

https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.adi8912

自然界中的许多生物通过跳跃和飞行行为的整合来实现混合运动。鹦鹉和麻雀等树栖觅食鸟类通过将树枝之间的跳跃与间歇性飞行相结合而表现出高度的敏捷性。某些种类的鳏寡鸟在繁殖季节进行仪式化的展示跳跃，以向潜在的配偶宣传健康和保卫领地。蝗虫、蛙蝉和跳蚤等昆虫整合了跳跃和飞行行为，以在复杂的环境中导航并躲避捕食者。飞鼠和天龙蜥蜴也进行混合跳跃和滑翔以实现跳远距离。这些例子展示了 混合跳跃-飞行运动在提高机动性、敏捷性、效率和多功能性方面的潜在好处。

近期香港城市大学开发的一种名为 Hopcopter 的新型机器人将商用四轴飞行器与被动伸缩腿相结合。这是一种混合跳跃飞行机器人，它通过被动弹性伸缩腿增强了微型飞行器。他们搭建了一个35-g的原型，并识别和表征了机器人的跳跃动力学。在建模结果的基础上，开发了一种基于模型的跳跃控制器。实验结果表明，该机器人准确地跟踪了参考轨迹，验证了三维（3D）跳跃模型，并说明了跳跃飞机的平均垂直跳跃速度接近理论弹道极限，超过了最先进的跳跃机器人，包括Salto-1P。飞行过程中的间歇性跳跃增强了快速和急转弯的瞬时加速度。这种多模式运动能力有可能扩大机器人可以有效和高效运行的环境范围，从杂乱的室内空间到崎岖的室外地形。为了仅使用机载传感器实现稳定的跳跃，还为机器人配备了主动空气动力学稳定器。这些表面动态地影响着陆姿态，在没有外部反馈或视觉的情况下稳定横向跳跃速度和姿态。

该机器人在1.63 m的跳跃高度上达到2.38 m/s的最大速度，超过了现有跳跃机器人中报道的最高敏捷性。Hopcopter在实验中展示了从0.6米到1.6米的跳跃，展示了其强劲的跳跃高度范围。

与旋翼机、具有飞行能力的双足和腿式机器人相比，跳跃机构需要更少的能量进行运动。功率效率和耐久性的显着提高转化为跳直升机作战能力的切实优势，特别是在任务持续时间和航程方面。与栖息类似，较长的操作时间允许机器人长时间保持活动状态，这在需要持续存在的监视、检查或探索等场景中很有价值。此外，耐久性的提高可能会延长机器人的行进距离，扩大其操作范围，正如其他能够地面运动的机器人飞行器所证明的那样。

至关重要的是，Hopcopter的被动腿设计可以很容易地应用于传统的旋翼机。只需添加弹性腿和控制变化，标准四轴飞行器就可以转变为跳跃机器人，解锁协同混合运动。例如，对于连续飞行来说太重的有效载荷仍然可以在一系列跳跃中运输。总体而言，Hopcopter代表了一个平台，展示了集成飞行和跳跃功能的好处。

来源 | CAAI认知系统与信息处理专委会

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