重磅！上海交大實現撲翼機器人多模態運動無縫集成，可水平起飛、懸停、爬行、自翻正

上海交通大學的實驗室裏，有隻“大飛蟲”在表演空中套圈：

這是上海交大的最新研究——多模態無尾撲翼機器人，它開創性地實現了撲翼機器人的多模態運動， 將飛行、 爬行、 自翻正和水平起飛能力無縫集成，被IEEE Spectrum評爲“迄今爲止最像昆蟲的機器人”。

扇扇翅膀，輕鬆實現水平起飛：

靈活地在地面爬行：

飛行—爬行—飛行無縫銜接地多模式運動：

哎呀，不小心摔倒了，翻個跟頭自己起來：

▍昆蟲啓發的機械革命

在自然界中，許多能飛的動物同樣擅長在地面上行走或爬行。例如，鳥類和昆蟲不僅利用飛行進行長距離遷徙或跨越障礙，還會使用腿部進行短距離移動或爬入狹小縫隙中覓食或躲避敵人。

這種飛行與地面運動相結合的能力激發了科學家的靈感，推動了多模態機器人研究的發展。這類機器人可以在地震救援、環境監測和自然探索等多個領域大展身手，它們可以飛入人類難以到達的區域，悄無聲息地執行任務，隨後再返回基地。

多模態機器人的模式轉換是一項具有挑戰性的任務，上海交通大學團隊不僅實現了撲翼機器人飛行、爬行、自翻正等多種運動能力，還將這些運動模式無縫集成：機器人能夠在0.8秒內完成從爬行到飛行的快速切換， 還能在0.5秒內完成翻倒後自動扶正。

這個機器人名爲JT-fly，採用無尾翼撲翼設計，大部分我們熟悉的無人機不是採用多旋翼就是固定翼設計；相比之下，會撲騰着“翅膀”起飛的撲翼機器人更安全，且在更小的尺寸上具有更高的氣動效率。

無尾翼設計考慮到使用尾翼進行的姿態控制，其控制扭矩來源於氣流與控制面之間的相互作用， 通常需要更大的尾翼和控制面來實現被動穩定和姿態控制。這使得它們容易受到氣流擾動-湍流的影響， 導致懸停能力差。

該研究的技術創新在於：

1）集成仿生飛行和爬行能力，增強機器人在複雜環境中的靈活性和適應性；

2）快速模式切換能力，允許機器人在不同地形上最適合的運動模式之間無縫轉換；

3）自扶正能力，確保在不利條件下的運行穩定性；

4）機載電池的實施，通過有效的模式轉換延長操作持續時間。

▍撲翼與爬行的巧妙結合

JT-fly重量爲35.4克，翼展爲33釐米。撲翼機構有四個機翼(即兩對)、兩個電機和兩個伺服系統。電機調節左右對機翼的撲動頻率，伺服器調節行程平面產生控制轉矩，控制機身姿態，實現對橫滾、俯仰和偏航軸的控制。

在飛行模式下，多模態機器人利用兩套撲翼機構和兩個伺服機構產生飛行升力和控制機身姿態，可在空中懸停， 實現6自由度自由飛行。由於無尾撲翼機器人的不穩定性， 研究團隊使用主動反饋控制系統來提供飛行穩定性。

爬行模式使用了獨立的爬行機構，總重量爲5.4 g，由兩臺電機驅動、兩級行星齒輪減速，每個電機驅動機器人一側的三條腿，包括前腿、中腿、後腿。

其中，中腿的抬腿動作產生向前推力，前腿和後腿利用連桿帶動進行往復擺動，起到輔助作用。轉向通過兩側電機的速度差來實現，當右側爬行機構的電機速度快於左側時，機器人向左轉彎；相反則向右轉彎。當左右電機的旋轉方向相反時，機器人可以原地轉圈。

對於飛行與爬行的轉換，在研究團隊最初的設計中，簡單地將無尾撲翼機器人與六足爬行機器人結合在一起，只能實現垂直起飛，爬行模式的穩定性也不夠好，在粗糙的路面上快速移動時容易翻車。

爲此，研究團隊進行了設計升級，採用水平起飛來實現飛行和爬行轉換，這使機器人在地面運動過程中重心更低，爬行穩定性更高。當機器人處於水平爬行狀態時，伺服器控制行程平面向上傾斜，翅膀快速拍打產生頭向上的俯仰力矩，使機器人快速上升起飛。

着陸時，機器人的翅膀會停止拍動，底部碳纖維製成的尾巴首先接觸地面，然後身體向前回正觸地，完成從飛行模式到爬行模式的轉換。

水平起飛也賦予了機器人自扶正的能力。當機器人栽跟頭時，伺服系統驅動行程平面傾斜， 使升力指向上方，翅膀的拍打爲機器人提供俯仰力矩。機器人離開地面後，可以繼續拍動進入懸停狀態，也可以停止拍動，然後着陸完成自扶正。

▍總結與展望：續航問題有待突破

上海交通大學團隊的這項研究發表在《IEEE Robotics and Automation Letters》期刊上，標題爲“A Multi-Modal Tailless Flapping-Wing Robot Capable of Flying, Crawling, Self-Righting and Horizontal Take-Off（一種可飛行、爬行、自扶正和水平起飛的多模態無尾撲翼機器人）”

研究人員對機器人進行了功耗、飛行耐力與機動性測試：在爬行模式下，機器人的平均功耗爲0.93 W；飛行模式的平均功耗爲7.46 W，是爬行功耗的8倍。機器人可以使用內置電池連續飛行8.2分鐘或連續爬行60分鐘以上，由於無尾撲翼機器人的結構複雜性，需要主動反饋控制系統來提供飛行穩定性，因此很少有無尾撲翼機器人能展示出長續航時間自由飛行的能力，該技術目前仍有待突破。

憑藉快速切換多種運動模式的能力，多模式無尾撲翼機器人能靈活適應不同的環境需求，這一特點使其在災害救援、環境監測和城市調查等領域具有廣泛的應用前景，比如地震、 泥石流等自然災害發生後，機器人可以依靠其飛行能力快速部署到任務區，通過懸停找到合適的棲息地點、在各個方向靈活飛行、爬進廢墟和叢林的狹窄空間執行任務。未來，隨着電池能量密度的提高和控制系統的優化，這類機器人將能夠在更復雜的環境中執行更長時間的任務，爲人類社會帶來更多便利和安全保障。

 

 

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