นักวิจัยจีนสร้างหุ่นยนต์บินได้อัตโนมัติเลียนแบบการเคลื่อนไหวของนกจริงได้

นักวิจัยจาก Northwestern Polytechnical University พัฒนา RoboFalcon 2.0 สถาบันอุดมศึกษาตั้งอยู่ในเมืองซีอาน มณฑลส่านซี ประเทศจีน อุปกรณ์นี้ประกอบด้วยหุ่นยนต์เลียนแบบชีวภาพขั้นสูง มันสามารถบินขึ้นได้โดยอัตโนมัติโดยสมบูรณ์ เครื่องจักรจะสร้างรูปแบบการบินที่แน่นอนซึ่งสังเกตได้ในธรรมชาติของนกและค้างคาวระหว่างการเคลื่อนไหว โครงการนี้แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในด้านวิศวกรรมการบินและอวกาศที่เน้นด้านชีววิทยาที่นำไปใช้กับเทคโนโลยี

ต้นแบบใช้กลไกทางกลที่ซับซ้อน ระบบผสมผสานการกระพือ การกวาด และการพับปีกเข้าด้วยกัน การดำเนินการเกิดขึ้นในวงจรที่ต่อเนื่องและไม่สะดุดระหว่างการเคลื่อนที่ในอากาศ นวัตกรรมนี้ช่วยแก้ปัญหาความท้าทายทางประวัติศาสตร์ในหุ่นยนต์ทางอากาศเลียนแบบชีวภาพที่นักวิทยาศาสตร์เผชิญมานานหลายทศวรรษ รุ่นก่อนหน้านี้จำเป็นต้องขึ้นอยู่กับแผ่นยิงจรวดหรือความช่วยเหลือจากภายนอก รูปแบบใหม่ช่วยให้ควบคุมทิศทางได้อย่างแม่นยำแม้ที่ความเร็วต่ำมาก

สถาปัตยกรรมเครื่องกลและวัสดุของต้นแบบ

อุปกรณ์มีน้ำหนักทางกายภาพประมาณ 800 กรัม ปีกกว้างจากปลายจรดปลายถึง 1.2 เมตร ระบบขับเคลื่อนส่วนกลางใช้มอเตอร์ตัวเดียวที่มีความจุสูงและตอบสนองรวดเร็ว ส่วนประกอบหลักนี้เชื่อมต่อกับกลไกการส่งกำลังแบบกรวยโยก ชิ้นส่วนนี้ทำหน้าที่รับผิดชอบโดยตรงในการถ่ายโอนการเคลื่อนไหวอย่างต่อเนื่องไปยังปีกของหุ่นยนต์ การก่อสร้างต้องใช้วัสดุที่เบามากเพื่อรักษาความมีชีวิตตามหลักอากาศพลศาสตร์

ปีกของอุปกรณ์แบ่งออกเป็นสามส่วนโครงสร้างที่แตกต่างกัน เมมเบรนโพลีเอสเตอร์ต้านทานเชิงกลสูงครอบคลุมพื้นผิวรองรับทั้งหมดของอุปกรณ์ วัสดุสังเคราะห์รับประกันความยืดหยุ่นที่จำเป็นในระหว่างรอบการตีที่รวดเร็วและซ้ำๆ กลไกการแยกส่วนภายในทำให้เกิดการเปลี่ยนแปลงอย่างอิสระและพร้อมกันในการโค้งงอและการกวาด โครงสร้างนี้จะสร้างระนาบการกระแทกที่มีความลาดเอียง รูปร่างเลียนแบบนกที่บินช้าๆ ได้อย่างสมบูรณ์แบบ

การพัฒนาเครื่องจักรที่จำลองการบินทางชีวภาพต้องใช้ความแม่นยำในการประกอบระดับมิลลิเมตร การบูรณาการส่วนประกอบทางกลและอิเล็กทรอนิกส์ขนาดจิ๋วจำเป็นต้องมีการทดสอบความล้าของวัสดุอย่างละเอียดถี่ถ้วน ทีมวิศวกรชาวจีนได้พัฒนาการออกแบบจากรุ่นเริ่มแรก เวอร์ชันแรกปรากฏในปี 2021 อุปกรณ์ก่อนหน้านี้มีข้อจำกัดในการปฏิบัติงานที่เข้มงวด และให้บริการเฉพาะเที่ยวบินล่องเรือแบบเส้นตรงเท่านั้น งานปัจจุบันมุ่งเน้นไปที่ความคล่องตัวในพื้นที่จำกัดและความสามารถในการบินขึ้นในแนวดิ่ง

พลวัตของวงจรการเคลื่อนไหวแบบบูรณาการ

รูปแบบการเคลื่อนไหวที่เรียกว่าจังหวะ-กวาด-พับรวมการเคลื่อนไหวทางกลที่จำเป็นสามประการในแต่ละรอบที่สมบูรณ์ การเคลื่อนไหวของหน้าท้องด้านหน้าจะสร้างแรงยกส่วนใหญ่ การกระทำนี้เกิดขึ้นระหว่างการลงปีกอย่างแหลมคม การเคลื่อนไหวขึ้นด้านบนเกิดขึ้นโดยที่โครงสร้างถูกดึงกลับบางส่วนเพื่อลดแรงต้านตามหลักอากาศพลศาสตร์ต่อลม การประสานงานที่แน่นอนระหว่างระยะการทำงานและระยะไม่ทำงานเหล่านี้จะกำหนดประสิทธิภาพการใช้พลังงานโดยรวมของอุปกรณ์การบิน

มุมกวาดปีกจะแตกต่างกันไประหว่าง 5 ถึง 25 องศาในระหว่างการทำงานปกติ การมอดูเลตอย่างต่อเนื่องจะเปลี่ยนโมเมนต์การขว้างในลักษณะที่ควบคุมโดยโปรเซสเซอร์กลางของระบบอย่างเข้มงวด แอมพลิจูดของการเคลื่อนที่ที่มากขึ้นทำให้สิ่งที่เรียกว่ากระแสน้ำวนขอบนำบนพื้นผิวปีกแข็งแกร่งขึ้น ปรากฏการณ์ทางกายภาพช่วยปรับปรุงประสิทธิภาพการยกของหุ่นยนต์อย่างมากด้วยความเร็วการเคลื่อนที่ต่ำ อากาศพลศาสตร์ที่ไม่เสถียรโดยธรรมชาติของการบินช้าๆ ต้องการการตอบสนองในเสี้ยววินาทีจากแอคทูเอเตอร์แบบกลไก

การพับปีกเชิงกลยุทธ์มีส่วนโดยตรงต่อการรักษาเสถียรภาพในระยะที่ไม่ได้ใช้งานของวงจรการบิน การบูรณาการอย่างลื่นไหลของการเคลื่อนไหวทั้งสามทำให้การเคลื่อนที่มีความแม่นยำสูงในโหมดโฮเวอร์ หุ่นยนต์เปลี่ยนไปสู่การบินตามแนวนอนโดยไม่สูญเสียระดับความสูงหรือความเสถียรด้านข้าง แบบจำลองการจำลองแบบไดนามิกใช้การควบคุมอนุพันธ์แบบอินทิกรัลตามสัดส่วนเพื่อจัดการกระบวนการบินขึ้น การปรับอัตโนมัติอย่างต่อเนื่องทำให้อุปกรณ์มีความเสถียรในช่วงความเร็วลมต่ำกว่า 3 เมตรต่อวินาที

การทดสอบอากาศพลศาสตร์ในอุโมงค์ลม

นักวิจัยได้ทำการทดลองเชิงปฏิบัติหลายชุดในอุโมงค์ลมแบบเปิดขนาดใหญ่ การประเมินทางเทคนิคทำให้ต้นแบบควบคุมความเร็วได้ตั้งแต่ 0 ถึง 7 เมตรต่อวินาที โหลดเซลล์ที่มีส่วนประกอบหกองค์ประกอบจะบันทึกแรงทางกายภาพทั้งหมดที่นำไปใช้กับโครงสร้างหุ่นยนต์อย่างเข้มงวด การวัดยืนยันการเพิ่มขึ้นอย่างต่อเนื่องและบันทึกไว้ในค่าเฉลี่ยยกพร้อมแอมพลิจูดกวาดที่เพิ่มขึ้น

แรงขับสุทธิที่สร้างโดยเครื่องจักรยังคงมีเสถียรภาพอย่างน่าทึ่งที่ความถี่การทำงานของเครื่องยนต์ที่แตกต่างกัน โมเมนต์การขว้างกลายเป็นบวกเมื่อการไหลของอุโมงค์มีความเร็วสูงขึ้นในระหว่างการทดสอบ พฤติกรรมตามหลักอากาศพลศาสตร์บ่งชี้ถึงการควบคุมทิศทางที่เพียงพอแม้อยู่ภายใต้ความเครียดอย่างต่อเนื่องจากกระแสลม ผลลัพธ์สุดท้ายแสดงให้เห็นค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานที่ต่ำมากในกราฟประสิทธิภาพที่สร้างโดยคอมพิวเตอร์ ความสม่ำเสมอของข้อมูลที่รวบรวมได้ยืนยันความสามารถในการทำซ้ำของการวัดในสภาพแวดล้อมของห้องปฏิบัติการที่มีการควบคุมอย่างเข้มงวด

โครงการวิศวกรรมนำเสนอคุณลักษณะการปฏิบัติงานเฉพาะที่ได้รับการตรวจสอบระหว่างการทดสอบในห้องปฏิบัติการ:

• ความสามารถในการบินแบบเชื่อมต่อที่ได้รับการพิสูจน์แล้ว พร้อมด้วยวิถีที่มั่นคงและคาดเดาได้อย่างเต็มที่
• การปรับแอมพลิจูดเชิงกลอย่างอิสระเพื่อการควบคุมมุมที่แม่นยำ