長一寸強(qiáng)一寸：無人機(jī)鏈組成空中機(jī)械手，可以滯空擰開工業(yè)閥門

 在東京大學(xué) JSK 實(shí)驗(yàn)室，機(jī)器人專家開發(fā)了一種名為「龍（Dragon）」 的機(jī)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(jī)器人”。這是一種模塊化的飛行機(jī)器人，由管道風(fēng)扇提供動(dòng)力，可以在飛行中進(jìn)行轉(zhuǎn)換，通過多個(gè)機(jī)器人的鏈?zhǔn)蒋B加變換隊(duì)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(jī)器人可以在空中伸展穿過小孔，再進(jìn)行各類行動(dòng)。
如果你覺得，這種機(jī)器人的作用僅限于各種晚會(huì)上的排列組合，進(jìn)行美麗的展示，那你就錯(cuò)了。近期，「龍」機(jī)器人有了新的進(jìn)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(xué)的 Moju Zhao 及其同事介紹了「龍」機(jī)器人的一些功能更新，這一機(jī)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(fù)雜環(huán)境中，擰開各種角度的工業(yè)閥門。 “迷你”無人機(jī)鏈?zhǔn)浇M合，強(qiáng)大又靈活
對(duì)于復(fù)雜的室內(nèi)環(huán)境，飛行機(jī)器人是如何工作的呢？ 在研究領(lǐng)域，一種解決方案是制作非常小型的機(jī)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(jī)器人可以承擔(dān)的工作也很有限； 另一種解決方案是將飛行機(jī)器人放在保護(hù)籠中，但這也導(dǎo)致機(jī)器人很難與外界互動(dòng)。 理想情況下，你會(huì)想要一個(gè)不需要被過分保護(hù)的機(jī)器人，它既大又強(qiáng)，但同時(shí)又小又靈活。 如何做到呢？正如在視頻中看到的「龍」機(jī)器人那樣，它就真正實(shí)現(xiàn)了大小和靈活度之間的平衡。 「龍」機(jī)器人由一系列鏈接在一起的微小機(jī)器人模塊組成，每個(gè)模塊都包含一對(duì)管道風(fēng)扇推進(jìn)器，可以在需要的任何方向上以滾動(dòng)和俯仰方式驅(qū)動(dòng)推力矢量推力。這些模塊通過動(dòng)力鉸鏈接頭相互連接，整個(gè)機(jī)器人由英特爾 Euclid 驅(qū)動(dòng)并由電池組供電（提供 3 分鐘的飛行時(shí)間，老實(shí)說，這比我想象的要長），安裝在機(jī)器人的脊椎。這個(gè)特殊的原型由四個(gè)模塊組成，使其表現(xiàn)得有點(diǎn)像四旋翼，盡管我認(rèn)為從技術(shù)上講它是一個(gè)八旋翼。 「龍」機(jī)器人 原型機(jī)有四個(gè)連桿 (a) 通過由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)的關(guān)節(jié) (b) 連接。每個(gè)連桿帶有一對(duì)涵道風(fēng)扇推進(jìn)器 (c)。帶有板載 IMU 和 Intel Euclid 的飛行控制單元（標(biāo)記為“脊髓”）位于第二個(gè)鏈路上。每個(gè)鏈路都有一個(gè)分布式控制板（標(biāo)記為“神經(jīng)元”），管道風(fēng)扇轉(zhuǎn)子由電子速度控制器（轉(zhuǎn)子 ESC）控制。 「龍」機(jī)器人 可以直線飛行、盒子飛行、“L”形飛行，也可以具有更復(fù)雜的 3D 形狀，如鋸齒形或螺旋形。 令人興奮的是，這個(gè)機(jī)器人最初就是為了變形而設(shè)計(jì)的，因此雖然組合起來體積并不小，但是這個(gè)機(jī)器人也改變形狀以擠過一個(gè)小間隙。 最近的研究中，研究人員也將這個(gè)機(jī)器人概念化為一種可以被強(qiáng)力驅(qū)動(dòng)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(dòng)。最終，「龍」機(jī)器人 將通過多達(dá) 12 個(gè)相互連接的模塊在空中擺動(dòng)，它會(huì)使用它的兩端來抓取物體，就像一個(gè)兩指抓手。 無人機(jī)化身“空中扳手”，靈活擰開工業(yè)閥門伴隨扳手動(dòng)作的空中操控，正是飛行機(jī)器人的新型研究領(lǐng)域之一。 通過在空中機(jī)器人上附加額外的機(jī)械手，各種最先進(jìn)的作品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)了空中操縱和抓取。然而，這種耦合平臺(tái)在相互作用力和機(jī)動(dòng)性方面存在局限性。在「龍」機(jī)器人 的新研究中，新型鉸接式空中機(jī)器人成功實(shí)現(xiàn)空中操縱和抓取，其中每個(gè)環(huán)節(jié)都嵌入了可矢量轉(zhuǎn)子單元。 在空中進(jìn)行穩(wěn)定操縱和抓取的關(guān)鍵是使用具有兩個(gè)自由度的轉(zhuǎn)子矢量裝置。首先，考慮到矢量執(zhí)行器的動(dòng)力學(xué)，開發(fā)了一種使用矢量推力進(jìn)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(dòng)器的動(dòng)力學(xué)引起的振蕩，并且還允許與外部和內(nèi)部扳手集成以進(jìn)行對(duì)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(jìn)行雙手物體抓取的在線推力級(jí)規(guī)劃方法。最后，我們展示了對(duì)所提出的用于對(duì)象操縱和抓取的控制和規(guī)劃方法的評(píng)估實(shí)驗(yàn)結(jié)果。 「龍」機(jī)器人目前可以轉(zhuǎn)動(dòng)一些真正的工業(yè)閥門，閥門轉(zhuǎn)動(dòng)的力來自螺旋槳推力，而不是機(jī)器人身上的執(zhí)行器。雖然我們已經(jīng)看到了許多不同風(fēng)格的無人機(jī)，這些無人機(jī)為此釘上了可以被操控的手臂，但是，和這類機(jī)器人不同的是，「龍」機(jī)器人直接將自身無人機(jī)的結(jié)構(gòu)做成了機(jī)械手，更容易操控。 不過 「龍」機(jī)器人 目前的使用仍然存在很多限制。它重達(dá) 7.6 公斤，雖然其有效載荷為 3.4 公斤，但最長飛行時(shí)間很有限，目前只有 3 分鐘，只能在無人機(jī)實(shí)驗(yàn)室環(huán)境進(jìn)行飛行測(cè)試。 研究者表示，他們正在考慮讓 「龍」機(jī)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(gè)不錯(cuò)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(yīng)對(duì)更多現(xiàn)實(shí)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