Noua dronă are picioare pentru trenul de aterizare, permițând lansări eficiente

Cele mai multe drone de pe piață sunt quadcoptere cu aripi rotative, care pot ateriza și decola în mod convenabil aproape oriunde. Problema este că sunt mai puțin eficiente din punct de vedere energetic decât aeronavele cu aripă fixă, care pot zbura pe distanțe mai mari și pot rămâne mai mult timp în aer, dar au nevoie de o pistă, un lansator dedicat sau cel puțin o aruncare bună de modă veche pentru a ajunge pe cer.

Pentru a depăși această limită, o echipă de cercetători elvețieni de la École Polytechnique Fédérale de Lausanne a construit un robot zburător cu aripă fixă ​​numit RAVEN (Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple ENvironments) cu un tren de aterizare specific bio-inspirat: o pereche de roboti. picioare ca de pasăre. „Robotul RAVEN poate să meargă, să sară peste obstacole și să facă o decolare cu sărituri ca niște păsări reale”, spune Won Dong Shin, un inginer care conduce proiectul.

Investiții inteligente

Provocarea cheie în atașarea picioarelor la drone a fost că acestea au crescut semnificativ masa și complexitatea. Picioarele robotice de ultimă generație au fost concepute pentru roboții care mergeau pe pământ și erau prea voluminoase și grele pentru a se putea gândi măcar la utilizarea pe o mașină zburătoare. Așadar, echipa lui Shin și-a început munca analizând mai atent cum arăta bugetul masei picioarelor la diferite specii de păsări.

S-a dovedit că raportul dintre masa picioarelor și greutatea corporală totală a crescut în general cu dimensiunea la păsări. O cioară de gălăgie avea picioare care cântăresc în jur de 100 de grame, pe care echipa le-a luat ca punct de referință.

Picioarele robotizate construite de Shin și colegii săi semănau destul de mult cu picioarele unei păsări adevărate. Simplificarile introduse pentru a economisi greutatea au inclus sarirea peste articulatia genunchiului si articulatiile degetelor actionate, rezultand un membru cu doua segmente cu 64% din greutate plasata in jurul articulatiei soldului. Mecanismul era alimentat de o elice standard de dronă, cu articulația gleznei acționată printr-un sistem de scripete și o curea de distribuție. Piciorul robotizat s-a terminat cu un picior cu trei degete orientate spre înainte și un singur halux orientat spre spate.

Au existat și câteva caracteristici de design mai sofisticate, inspirate de păsări. „Am încorporat un arc de torsiune în articulația gleznei. Când piciorul robotului este ghemuit, acesta stochează energia în acel arc, iar atunci când piciorul se întinde, arcul lucrează împreună cu motorul pentru a genera o viteză mai mare de săritură”, spune Shin. O pasăre adevărată poate stoca energie elastică în sistemul său muscular-tendon în timpul flexiei și o poate elibera foarte rapid în timpul extensiei pentru o decolare cu sărituri. Sarcina arcului a fost de a emula acest mecanism și a funcționat destul de bine – „De fapt, a crescut viteza de săritură cu 25 la sută”, spune Shin.

În cele din urmă, picioarele robotului cântăreau în jur de 230 de grame, mult mai mult decât cele reale dintr-o cioară, dar s-a dovedit că era suficient de bun pentru ca robotul RAVEN să meargă, să sară, să decoleze și să zboare.

Eficiența lui Crow

Echipa a calculat viteza de decolare necesară pentru două păsări cu mase corporale de 490 de grame și un păr de peste 780 de grame; acestea au fost 1,85 și, respectiv, 3,21 metri pe secundă. Pe baza acestui fapt, Shin s-a gândit că robotul RAVEN ar trebui să atingă 2,5 metri pe secundă pentru a ajunge în aer. Folosind strategia de decolare cu sărituri asemănătoare unei păsări, ar putea atinge această viteză în doar 0,17 secunde.

Cum s-a comparat procedura de decolare a naturii cu alte moduri de a ajunge la cer? Alte opțiuni includ o decolare în cădere, în care doar împingeți aeronava de pe o stâncă și lăsați gravitația să-și facă treaba, sau decolarea în picioare, în care poziționați aeronava vertical și vă bazați pe elice pentru a o ridica în sus. „Când proiectam experimentele, m-am gândit că decolarea cu sărituri ar fi cea mai puțin eficientă din punct de vedere energetic, deoarece folosea sucul suplimentar din baterie pentru a activa picioarele”, spune Shin. Dar avea o surpriză.

„Ceea ce am vrut să înțelegem prin eficiență energetică a fost să calculăm aportul și ieșirea de energie. Ieșirea de energie a fost energia cinetică și energia potențială în momentul decolării, definită ca momentul în care picioarele robotului încetează să atingă solul”, explică Shin. Aportul de energie a fost calculat prin măsurarea puterii utilizate în timpul decolării.

„S-a dovedit că decolarea cu sărituri a fost de fapt cea mai eficientă strategie energetică. Nu mă așteptam la acel rezultat. A fost destul de surprinzător”, spune Shin.

Costul energetic al decolării cu sărituri a fost puțin mai mare decât cel al celorlalte două strategii, dar nu cu mult. A necesitat cu 7,9% mai mult suc decât decolarea în picioare și cu 6,9% mai mult decât decolarea în scădere. În același timp, a generat o accelerație mult mai mare, așa că ai avut mult mai bine pentru bani (cel puțin în ceea ce privește energia). În general, săritul cu picioare asemănătoare unei păsări a fost de 9,7 ori mai eficient decât decolarea în picioare și de 4,9 ori mai eficient decât decolarea în cădere.

Un avertisment cu calculele echipei a fost că o dronă cu aripă fixă ​​cu un design mai convențional, una care folosește roți sau un lansator, ar fi mult mai eficientă în strategiile tradiționale de decolare decât un robot RAVEN cu picioare. „Dar când te gândești la asta, și păsările ar zbura mult mai bine fără picioare. Și totuși au nevoie de ei să se miște pe pământ sau să-și vâneze prada. Schimbați o parte din eficiența în timpul zborului pentru mai multe funcții”, susține Shin. Iar picioarele ofereau o mulțime de funcții.

Obstacole în față

Pentru a demonstra versatilitatea robotului lor zburător cu picioare, echipa lui Shin a pus-o printr-o serie de sarcini care ar fi imposibil de finalizat cu o dronă standard. Scenariul lor de referință a misiunii a implicat traversarea unei cărări cu un tavan scăzut, săritul peste un gol și săritul pe un obstacol. „Presupunând o poziție erectă, cu coada atingând solul, robotul ar putea merge și rămâne stabil chiar și fără controlere avansate”, susține Shin. Mersul pe jos a rezolvat problema deplasării sub tavane joase. Saritura peste goluri si peste obstacole s-a facut folosind mecanismul folosit pentru decolare: arcuri de torsiune si actionari. RAVEN ar putea sări peste un spațiu de 11 centimetri lățime și pe un obstacol de 26 de centimetri înălțime.

48 comentarii