空中機(jī)器人

一直以來(lái)，對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)的仿生機(jī)器人研究，人們大多關(guān)注它們?nèi)绾胃咝У卦诳罩酗w行，例如仿照鳥(niǎo)類(lèi)的翅膀結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)出撲翼式無(wú)人機(jī)。而鳥(niǎo)類(lèi)能夠在復(fù)雜環(huán)境下棲息和抓取的能力也同樣令人驚嘆：獵鷹不僅能平穩(wěn)地降落在凹凸不平的巖壁，還能從高空俯沖而下捕獲獵物。除了具備高超的飛行技巧外，鳥(niǎo)類(lèi)的這些強(qiáng)大能力還依賴(lài)于它們看似普通的鳥(niǎo)腿和鳥(niǎo)爪。

受此啟發(fā)，美國(guó)斯坦福大學(xué)的研究者馬克·卡特科斯基和大衛(wèi)·蘭亭克的團(tuán)隊(duì)，通過(guò)深入研究鳥(niǎo)爪的構(gòu)造和著陸機(jī)理，研發(fā)出一套名為“Stereotyped Nature-Inspired Aerial Grasper(SNAG)”的仿生機(jī)械鳥(niǎo)爪系統(tǒng)，并將其安裝在旋翼無(wú)人機(jī)平臺(tái)上，構(gòu)造出一個(gè)既能在任何復(fù)雜表面上起降，又能動(dòng)態(tài)抓取不規(guī)則物體的空中機(jī)器人。

空中機(jī)器人模擬獵鷹抓取物體

空中機(jī)器人模擬鳥(niǎo)類(lèi)棲息在樹(shù)枝上

相關(guān)成果以論文形式發(fā)表，論文題為《在樹(shù)棲環(huán)境中受鳥(niǎo)類(lèi)啟發(fā)的動(dòng)態(tài)抓取和棲息》，這一創(chuàng)新對(duì)于鳥(niǎo)類(lèi)的生物學(xué)研究和無(wú)人機(jī)的工程應(yīng)用來(lái)說(shuō)都是極大的突破。

論文第一作者威廉·羅德里克表示，“經(jīng)過(guò)千百萬(wàn)年的進(jìn)化，不管樹(shù)枝的粗細(xì)和曲折度，降落點(diǎn)表面的粗糙度等各種環(huán)境因素有多么的不同，鳥(niǎo)類(lèi)都可以做到近乎一致的降落表現(xiàn)，而要模仿這種靈活的棲息行為并不容易”。

空中機(jī)器人復(fù)現(xiàn)短尾鸚鵡的著陸過(guò)程

目前，對(duì)機(jī)器人的抓取或棲息的研究大多只是針對(duì)小部分特定的場(chǎng)景或特殊的表面，無(wú)法廣泛用于現(xiàn)實(shí)環(huán)境。為了解決這一問(wèn)題，生物力學(xué)的相關(guān)研究表明，鳥(niǎo)類(lèi)的這種模式化的著陸行為本質(zhì)上遵循著一種“基于碰撞時(shí)間的引導(dǎo)策略”，即鳥(niǎo)類(lèi)在著陸時(shí)會(huì)根據(jù)當(dāng)前的飛行速度做出一系列的調(diào)整動(dòng)作來(lái)控制與接觸面的碰撞，如身體上仰、伸展腿和爪，接觸到樹(shù)枝時(shí)腿部彎曲并緩沖，腳趾通過(guò)包裹擠壓接觸面來(lái)增大抓力，調(diào)整身體以維持平衡，等等。

根據(jù)這些理論，研究人員選取獵鷹和短尾鸚鵡作為仿生研究對(duì)象，一方面，從解剖學(xué)層面獲得獵鷹的腿部生理構(gòu)造，另一方面，通過(guò)高速相機(jī)記錄短尾鸚鵡在不同種類(lèi)的樹(shù)枝上的飛行著陸數(shù)據(jù)，包括飛行的速度，抓取角度等，依此對(duì)這一運(yùn)動(dòng)過(guò)程進(jìn)行建模，從而逐步展開(kāi)設(shè)計(jì)與研究。

研究過(guò)程和亮點(diǎn)

仿鳥(niǎo)爪機(jī)構(gòu)SNAG的機(jī)械設(shè)計(jì)示意圖

首先，研究者們參照鳥(niǎo)類(lèi)的腿部構(gòu)造，以等比的尺寸和重量設(shè)計(jì)并制造了SNAG的機(jī)械結(jié)構(gòu)。整個(gè)仿生鳥(niǎo)爪的剛性結(jié)構(gòu)都是通過(guò)3D打印技術(shù)制造，用來(lái)模擬鳥(niǎo)腿部的骨骼、關(guān)節(jié)和腳趾，并采用伺服電機(jī)和雙彈簧機(jī)構(gòu)提供對(duì)腿部動(dòng)作的控制力和腳趾的抓握力，用來(lái)模擬腿部的肌肉和肌腱功能。同時(shí)，類(lèi)似鳥(niǎo)爪趾端的肉墊，一種可形變的橡膠緩沖墊也被粘貼嵌入到鳥(niǎo)爪上，用來(lái)增大抓握時(shí)的摩擦力。

仿鳥(niǎo)爪機(jī)構(gòu)SNAG的機(jī)械設(shè)計(jì)示意圖

依靠這些精密的機(jī)械結(jié)構(gòu)，鳥(niǎo)類(lèi)自然抓取的兩個(gè)關(guān)鍵機(jī)制得以復(fù)現(xiàn)。一個(gè)是“屈肌機(jī)制”：通過(guò)關(guān)節(jié)彎屈折疊，拉伸腿部肌腱彈簧，在吸收接觸沖擊力的同時(shí)，還能將沖擊能量轉(zhuǎn)化為更大的抓力；另一個(gè)是“腱鎖機(jī)制”：在腿部彎曲的同時(shí)，通過(guò)腳部電機(jī)提前儲(chǔ)能過(guò)的趾部肌腱彈簧迅速收縮使腳趾閉合，并通過(guò)棘輪裝置鎖死，整個(gè)過(guò)程在50ms內(nèi)完成，使得爪子能夠迅速地牢牢抓住物體。而當(dāng)要離開(kāi)棲息物時(shí)，可再次通過(guò)腳部的電機(jī)解鎖釋放掉肌腱張力，腿便可以重新伸展。

其次，研究人員利用該套機(jī)械結(jié)構(gòu)研究影響鳥(niǎo)類(lèi)成功著陸的潛在因素，例如：機(jī)械硬件參數(shù)（機(jī)體的質(zhì)量、尺寸大小等）、運(yùn)動(dòng)學(xué)參數(shù)（著陸時(shí)的速度大小和方向、腿的屈伸角度、機(jī)體的平衡角度等）以及不同的棲息表面參數(shù)等等。通過(guò)基于力學(xué)理論分析得到的數(shù)學(xué)模型和實(shí)驗(yàn)測(cè)試數(shù)據(jù)來(lái)估計(jì)這些參數(shù)的邊界，構(gòu)建出一個(gè)類(lèi)似于飛行包線的“充分棲息域”模型。該模型不僅可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，還為著陸控制的設(shè)計(jì)提供了可靠依據(jù)。

兩種常見(jiàn)的鳥(niǎo)類(lèi)腳趾構(gòu)型示意圖

此外，研究人員還專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)測(cè)試了不同的腳趾構(gòu)型的著陸表現(xiàn)，即，常見(jiàn)于獵鷹的“三趾朝前一趾朝后”的anisodactyl構(gòu)型和常見(jiàn)于鸚鵡的“兩趾朝前兩趾朝后”的zygodactyl構(gòu)型，最終得出結(jié)論：這兩種構(gòu)型在功能上并沒(méi)有太大差異，任一構(gòu)型都不會(huì)更有進(jìn)化上的優(yōu)勢(shì)。

然后，著陸后的平衡控制也是至關(guān)重要的，因?yàn)橹鲃?dòng)的平衡控制，能夠擴(kuò)大“充分棲息域”的范圍，從而大大提高著陸的成功率。因此，研究者們?cè)赟NAG的右腳上安裝了一個(gè)加速度計(jì)來(lái)感知并識(shí)別是否已經(jīng)著陸。

不同平衡控制算法的性能對(duì)比

一旦平衡算法機(jī)制被觸發(fā)，機(jī)器人便通過(guò)旋轉(zhuǎn)機(jī)體平臺(tái)調(diào)整重心，維持平衡。實(shí)驗(yàn)中測(cè)試了固定角度調(diào)節(jié)、開(kāi)環(huán)調(diào)節(jié)和閉環(huán)調(diào)節(jié)三種平衡控制算法，其中閉環(huán)調(diào)節(jié)方案使用了加速度計(jì)的反饋來(lái)調(diào)整重心，在各種測(cè)試情況下都表現(xiàn)出更好的著陸性能。

SNAG空中機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取能力測(cè)試

由于物體的抓取原理和著陸相似，兩者的不同之處在于機(jī)器人的速度會(huì)動(dòng)態(tài)變化，抓取物的表面質(zhì)地，以及對(duì)仿生機(jī)械爪的沖擊力，因此研究者們利用同一套硬件裝置測(cè)試了該空中機(jī)器人的動(dòng)態(tài)抓取能力。

SNAG空中機(jī)器人的戶外測(cè)試

實(shí)驗(yàn)表明，SNAG的抓取能力同樣出色，能夠順利抓放類(lèi)似于鷹隼獵物大小的物體。最后，研究團(tuán)隊(duì)對(duì)該空中機(jī)器人進(jìn)行了更加綜合的戶外測(cè)試：操控機(jī)器人從一塊草地起飛，降落并棲息在樹(shù)枝上，然后監(jiān)測(cè)并記錄當(dāng)?shù)丨h(huán)境的溫濕度等氣候數(shù)據(jù)，最后又返回原起飛點(diǎn)。

實(shí)際應(yīng)用和未來(lái)展望

樹(shù)棲機(jī)器人用于檢測(cè)叢林氣候

戶外的測(cè)試實(shí)驗(yàn)充分展示了該機(jī)器人在叢林中的優(yōu)勢(shì)：通過(guò)加載不同的傳感器模塊，該種具有仿鳥(niǎo)爪結(jié)構(gòu)的空中機(jī)器人能夠被廣泛應(yīng)用于野外叢林環(huán)境中，除了可以用來(lái)收集野外氣象環(huán)境、動(dòng)植物樣本等數(shù)據(jù)外，還能完成野外搜救、森林火災(zāi)預(yù)警等任務(wù)。

得益于其強(qiáng)大的樹(shù)棲能力，該機(jī)器人能夠停在樹(shù)枝上執(zhí)行任務(wù)，從而大大節(jié)省電池電量，或者在棲息時(shí)通過(guò)太陽(yáng)能充電，從而有效解決了傳統(tǒng)無(wú)人機(jī)續(xù)航的問(wèn)題。此外，由于該研究的仿生屬性，該機(jī)器人還可以反過(guò)來(lái)用于鳥(niǎo)類(lèi)生物學(xué)的研究，減少對(duì)活體動(dòng)物的傷害。

然而，為了進(jìn)一步推動(dòng)該機(jī)器人的實(shí)際應(yīng)用，現(xiàn)有的工作還需要很多的改進(jìn)。

首先，機(jī)器人的仿生機(jī)械爪系統(tǒng)和飛行平臺(tái)之間的功能聯(lián)系并不緊密，例如真實(shí)鳥(niǎo)類(lèi)著陸時(shí)，一般會(huì)通過(guò)翅膀產(chǎn)生輔助氣動(dòng)力，來(lái)維持身體的平衡，而非僅僅依靠腿部力量的調(diào)節(jié)，因此，系統(tǒng)還需要對(duì)各個(gè)組件進(jìn)行更深入的集成。

其次，當(dāng)前研究中腳部的加速度計(jì)為身體的平衡調(diào)節(jié)提供唯一的信息反饋，而真實(shí)鳥(niǎo)類(lèi)則可以依靠諸如視覺(jué)、觸覺(jué)等更多的信息源，因此，系統(tǒng)還可以從多傳感器信息融合方面進(jìn)一步完善，從而提高抓取和著陸的能力。

最重要的，目前該機(jī)器人是通過(guò)操作人員遠(yuǎn)程遙控飛行，視覺(jué)篩選并定位樹(shù)枝、自動(dòng)接近目標(biāo)樹(shù)枝等功能迫切需要開(kāi)發(fā)和測(cè)試，來(lái)加強(qiáng)其自動(dòng)化的程度。