设计、构建、控制Soft-Actuated空中微型机扑

重达0.6克,昆虫机器人,我们的团队在柔软的麻省理工学院和微型机器人实验室创造了有效负载相对高额的它的质量的两倍以上。这一成就的关键之一是人工墨镜介电弹性体驱动器(DEA)——驱动机器人的翅膀。

放弃电磁马达和其他刚性执行机构建立第一个soft-actuated空中机器人,我们寻求解决大量的制造、控制设计、和其他挑战。首先,作为一个机器人的大小收缩,其动力学变得更快,这就需要更高的传感和控制利率。我们的微型机扑皮瓣翅膀每秒400次以正弦方式和动态平衡提升部队的翅膀,所以我们需要运行一个反馈控制以每秒10000次(图1)。此外,柔软的致动器是高度非线性的动力学。最后,我们必须制造机器人,包括致动器和其他组件,从划伤自己手动过程,需要仔细组装极薄层弹性体和激光切割机器人的翅膀,机身和传输。

迎接这些挑战,我们使用建模、仿真和基于模型的实时检测方法金宝app^®仿真金宝app软件实时™,Speedgoat^®硬件。我们还使用MATLAB^®自动化的手动流程,包括描述机器人的起飞,消除缺陷致动器,评估各种翼形状,和运行实验。这种环境使我们增加我们的研究我们的步伐朝着更好的理解如何真正的昆虫飞行的昆虫无人机以及实际应用。

建模的微型机扑在多个水平

我们大量使用建模与仿真来指导我们实验的数量,减少硬件测试我们需要执行。为此,我们已经创建了一个各种不同的模型在MATLAB和Simulink仿真运行在多个级别的忠诚。金宝app

在最高的层次上,我们有一个简单的飞行动力学模型的机器人建模为固体颗粒。我们以此作为植物模型和控制器模型在仿真软件运行闭环模拟(图2)。金宝app

在MATLAB,我们开发了一个更详细的模型,占翼,翼惯性,机翼和机器人之间的相互作用,这是由一个线性四连杆传动,将软的/伸长收缩运动执行机构的扑动翅膀。我们还创建了一个模型,用来预测时变动力学和计算流体动力学(CFD)模型来模拟单翼拍动的动态力量(图3)。在每个仿真,我们改变机翼形状和寻找形状设计,满足我们的力量的要求。与这些模型我们运行仿真后确定机翼形状设计,我们想测试实验中,我们使用MATLAB脚本编写自动生成所需的激光制造文件产生实际的翅膀。

起飞前的制备和表征

柔软的致动器我们构建每个微型机扑不相同。制造过程的变化和气泡致动器或其他缺陷导致致动器性能的重要差异。

我们考虑执行机构通过两个过程方差和制造问题,这两个我们自动化使用MATLAB,仿真软件,Speedgoat设置。金宝app首先,我们执行一个过程被称为自行结算,我们反复高电压应用于致动器导致当地做空,这消除了杂质在致动器。时间在这个过程中需要精确,因为大电流峰值可以创建一个洞在弹性体和损坏驱动器。高检测率和低延迟的模型和Speedgoat设置具有独特价值的因为系统可以关闭后微秒内电压高金宝app电流检测。

我们从驱动器中删除缺陷之后,我们执行一个微型机扑的静态特性。在这个过程中,我们夹微型机扑,以便它是静止的,致动器应用范围的电压,并测量机器人扑翼运动。应用测试电压,我们捕捉扑翼运动在22000帧每秒。我们运行MATLAB脚本已经写的运动学分析微型机扑在生成的视频。接下来,我们挂载机器人在一个专门设计的发射。我们再次驱动机器人,记录发射视频,然后用MATLAB脚本提取发射运动和计算相应的升力。然后使用这个分析的结果绘制电压输入,输出,并自动应用这个映射到参数化的飞行动力学模型,我们使用闭环模拟。

建模、模拟和测试控制算法

随着我们开发新的控制算法和策略,我们改进和验证通过模拟测试之前他们真实的硬件。运行在这些模拟仿真软件与控制器模型和飞行动力学模型通过静态金宝app特性与参数值获得更新。这使我们能够快速迭代控制设计不冒着破坏微型机扑在不受控制的崩溃。

一旦我们有一个控制算法可以测试,我们准备实时测试由四个装配完整的微型机扑单位:也就是说,四组作动器和翅膀(图4)。

然后我们部署我们使用仿真软件实时控制器Speedgoat目标硬件。金宝appSpeedgoat系统接收数据包括微型机扑的质心的坐标以及球场,滚,和偏航值Vicon动作捕捉系统(图5)。我们的控制算法读取这个数据,基于当前状态,计算力和扭矩的四个单位需要生产。然后将这些值映射到一个相应的电压幅度的正弦信号放大和发送到柔软的致动器。

中使用的主要优势Speedgoat这项工作平台是其传感速度高,其一致的低延迟,它易于配置。在过去,我们组装硬件实时测试;这个过程被冗长乏味,经常推迟调试会话。Speedgoat硬件更加可靠,运行我们的控制器10000赫兹,我们可以执行复杂的空中军事演习,包括翻筋斗,微型机器人(图6)。

当我们运行我们的实验中,我们使用MATLAB应用程序,我们创建了简化初始化、飞行控制和传感器控制(图7)。后来,我们比较实验结果和仿真结果;例如,真正的机器人在0.16秒内完成了一个筋斗,和我们的模拟预测0.13秒。这些比较使我们能够验证和完善我们的仿真软件模型。金宝app

改进计划

最有趣的一个微型空中机器人的潜在应用包括搜索和救援行动。一群微型机器人,例如,可能有一天能够通过浏览找到幸存者在倒塌的建筑物通道太窄,人或更大的无人机。我们正在积极努力一些进步,需要这样的应用程序。第一个是权力的自治权。目前,我们的微型机器人是由薄的电线,这意味着它们是紧密拴在一个固定电源。我们正在整合电力电子电路到第一步脱缰的飞行机器人。同样,我们也追求传感器自主权。具体来说,我们正在探索如何使微型机器人被动地直立和稳定;反过来,这将使我们的控制器设计,使用更低带宽传感器定位机器人。此外,我们正在计划使用我们现有的设置与仿真软件,仿真软件实时和Speedgoat硬件飞五微型机器人作为一个小规模金宝app的群体。