Novo design permite que insetos robóticos pousem nas paredes e decolem delas com facilidade

Os insetos na natureza possuem incríveis habilidades de vôo e podem se fixar e escalar paredes de vários materiais. Insetos que conseguem voar com asas batendo, escalar paredes e alternar suavemente entre os dois regimes de locomoção nos fornecem excelentes modelos biomiméticos. No entanto, muito poucos robôs biomiméticos podem realizar tarefas complexas de locomoção que combinem as duas habilidades de escalar e voar.

É um desafio projetar sistemas de energia de vôo e escalada com características semelhantes às asas batendo de um inseto e habilidades de escalar paredes. A estratégia de controle de transição voadora-escalada é difícil de aplicar a robôs biônicos voadores-escaladores.

Isso ocorre principalmente porque os atuais sistemas de vôo com asas oscilantes que podem pairar têm dificuldade em gerar sustentação suficiente para suportar o robô escalador de paredes como uma carga, e o estudo de robôs escaladores de paredes que podem se fixar em vários tipos de superfícies não é abrangente.

Além disso, o método de controle de transição de voo-escalada orientado para a parede ainda precisa ser estudado a fim de projetar o modo de movimento que possa efetivamente imitar insetos naturais pousando e decolando da parede.

Recentemente, uma equipe da Universidade de Aeronáutica e Astronáutica de Nanjing (NUAA) desenvolveu uma nova estratégia de controle de transição de atitude. Um robô biônico com capacidade de voar e escalar pode completar movimentos suaves, incluindo pousar em uma parede vertical, escalar ao longo da parede e decolar da parede.

“O robô com capacidade de movimento entre domínios pode expandir o espaço de um robô de domínio único e resolver os problemas que um robô de domínio único enfrenta, como aplicação limitada e dificuldade de interagir com quantidades físicas externas”, disse Aihong Ji, que liderou a pesquisa.

O robô de parede aérea demonstrou com sucesso sua capacidade de pousar, escalar e decolar de uma variedade de paredes verticais complexas, incluindo vidro, porta de madeira, mármore, casca de árvore, tecido elástico, parede de cal e chapa de ferro pintada. Essa série de passos é muito comum na natureza, por exemplo, quando uma mosca chega a um local depois de voar uma certa distância, pousa em uma parede, sobe até um local onde se sente confortável e depois voa para o próximo local. Tem implicações importantes na compreensão da decolagem e aterrissagem de insetos.

O estudo foi publicado em Pesquisar. Ji é professor da Faculdade de Engenharia Mecânica e Elétrica da NUAA.

O inseto robô adota um layout de energia híbrido de oscilação/rotor, que realiza não apenas um vôo eficiente e controlável no ar, mas também fixação e escalada na parede vertical por meio de uma combinação sinérgica da adsorção aerodinâmica de pressão negativa da potência do rotor e um mecanismo de escalada com desempenho de adesão biônica.

“Os insetos podem voar no ar e subir na parede, o que se beneficia de seu controle ágil do bater das asas e da postura corporal. Eles usam asas, pernas e informações visuais para coordenar a decolagem e o pouso”, disse Ji. “A sustentação gerada pelo bater das asas é para cima enquanto o inseto está pairando, enquanto a postura do corpo pode ser alterada arbitrariamente. Especialmente ao pousar em uma parede ou decolar de uma parede, é necessário completar uma série de ações modulares complexas, incluindo desaceleração do corpo e rotação de grande ângulo do corpo. Fomos inspirados ao perceber que se espera que um robô anfíbio biônico com capacidade de rotação de grande ângulo complete a transição entre voar e escalar, imitando o controle da postura corporal do inseto. ”

Mas, em contraste com a disposição das pernas trepadeiras do inseto em relação ao seu corpo, a parte trepadeira é projetada acima do corpo do robô, observou Ji. Portanto, a potência da parte voadora do robô pode não apenas fornecer adsorção aerodinâmica de pressão negativa para a parte ascendente, mas também resistir ao momento de tombamento causado pela gravidade.

O projeto do layout do eixo longitudinal da dinâmica do rotor e da estratégia de controle realiza um movimento único entre domínios durante a transição de vôo-escalada. O inseto robô fornece força de controle e torque suficientes. O empuxo vertical líquido da potência híbrida oscilante/rotor, quando acionado, mantém uma relação aproximadamente linear em relação ao comando do acelerador. Além disso, sob o sinal de controle composto, a entrada e a saída de torque de 3 eixos do controle de potência híbrido oscilante/rotor provaram ser independentes e não interferentes. O valor do torque atende à demanda de controle e a lógica de distribuição do controle é razoável.

“Para otimizar o esquema de transição voo-escalada do robô anfíbio biônico, conduzimos vários pré-testes”, disse Ji. “O processo de transição de voo-escalada depende intimamente do projeto de layout híbrido e requer controle coordenado dos atuadores.”

A equipe quantificou o desempenho de transição do inseto robô. O robô pode realizar transições ar-parede-ar contínuas e completas em 6,1 s. Ele permite que o robô cruze o limite parede-ar em 0,4 s (pouso) e cruze o limite parede-ar em 0,7 s (decolagem). A velocidade de subida na parede vertical é de 6 cm/s. Ele demonstrou a capacidade do robô aéreo-parede de fazer a transição entre voar no ar e subir na parede e verificou a viabilidade do layout geral da estrutura e da estratégia de controle.

Ji imagina que ganchos e garras microscópicos serão adicionados ao molde de injeção da almofada adesiva para realmente alcançar a interação sinérgica entre os ganchos e as almofadas adesivas dos insetos, o que os ajudará a se adaptar a ambientes complicados.

Fornecido pela Pesquisa