仿生蝴蝶机器人研究：质量移动机构的飞行特性与气动参数测量方法

仿生智能与机器人2（2022）100076具有质量移动机构黄海峰，何伟，陈泽，牛涛，付强北京科技大学智能科学与技术学院，北京科技大学中国人工智能研究院，北京100083A R T I C L E I N F O保留字：机械蝴蝶扑翼飞行机器人无尾控制A B S T R A C T仿生飞行机器人的发展为研究飞行生物的飞行机理提供了一种新的解决方案。本研究设计了一个仿生机器人蝴蝶转向通过质量转移机构命名为USTButterfly-II，并研究其飞行特性，使用光学跟踪设备。首先，一个平面四-采用连杆机构驱动所设计的仿蝴蝶型人工翅膀拍动。提出了一种基于质量块移动机构的无尾转向控制方法。最后，利用多摄像机运动捕捉系统测量了USTButterfly-Ⅱ的机翼运动学和运动轨迹，并确定了其瞬时净升力系数和推力系数等难以测量的扑翼气动参数。这些发现提供了一个新的实验框架，不仅为机器蝴蝶的设计和改进提供了有效的数据支持，而且有利于生物蝴蝶飞行机制的研究。1. 介绍与固定翼和旋转翼飞机相比，昆虫和鸟类使用非定常空气动力学增强机制来实现高效，稳定和可重复的飞行[1]。在这些扑翼飞行器中，蝴蝶的特定飞行形态和行为将其空气动力学机制与多年来研究的其他飞行器区分开来[2]。以前的研究表明，蝴蝶在飞行中使用各种前缘涡流和扑翼飞行机制来增加气动力[3然而，蝴蝶的飞行仍然知之甚少，特别是在定量分析方面。利用微机电系统技术的最新进展，扑翼飞行机器人的研究蓬勃发展，为研究飞行生物的飞行机理提供了新的方法[8目前研究蝴蝶飞行机理的传统方法包括活体观察和计算流体动力学（CFD）模拟。可视化流场被用来研究蝴蝶在自由飞行中的非定常空气动力学机制，但它只描述了涡流的存在，并没有产生定量的结果[2]。作者在[15]中使用运动捕捉系统记录了帝王蝶的自由飞行，但仅研究了攀爬飞行的特征。由于蝴蝶飞行轨迹的复杂性和多变性，在活体观测实验中获得足够的飞行特征参数通常是困难的。用电脑模拟蝴蝶的飞行状态成本较低，∗ 通讯作者。电子邮件地址：hewei.ac @ gmail.com（W. He）。https://doi.org/10.1016/j.birob.2022.100076但很难恢复它们真正的扑翼飞行姿态。C. L. Roy等人对各种生态环境下的闪蝶进行了CFD模拟分析，得到了涡场分布和然而，只研究了滑翔状态的气动特性，没有考虑机翼拍动的影响。研究人员最近开始使用仿生平台来研究生物机制，其中值得注意的研究成果包括Bat Bot[16]，KUBeetle [17，18]和DelFly Nimble [19]。利用机器蝴蝶研究蝴蝶飞行机制的研究成果很少。利用仿生平台研究蝴蝶的飞行机理可以有效避免活体观测重复性差和计算模拟精度差的问题，但这给机器蝴蝶的设计和控制带来了挑战。Festo创造了eMotionButterfly，一种双伺服驱动的机器蝴蝶。它有一个50厘米的翼展重32克和1和2赫兹之间的襟翼[20]。eMotionButterfly扑翼频率远低于生物学上的蝴蝶，研究人员没有对其飞行特性进行任何额外的实验研究在之前的研究中，我们开发了一种名为USTButterfly-S的线驱动机器蝴蝶，翼展为50 cm，可以通过不对称地调整两翼的面积来控制方向[21]。本研究开发了一种具有自由控制飞行能力的仿生蝴蝶机器人USTButterfly-II，并利用Optitrack运动捕捉系统记录了其飞行过程，分析了其飞行特性。与[20- 22 ]中的伺服驱动方法接收日期：2022年7月30日;接收日期：2022年9月5日;接受日期：2022年9月23日2022年10月13日在线提供2667-3797/©2022作者。由Elsevier B.V.代表山东大学出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表仿生智能与机器人学期刊主页：www.elsevier.com/locate/birobH. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000762图1.一、 我们自行设计的 机器蝴蝶命名为USTButterfly-II。USTButterfly-II由电机和平面四连杆机构驱动，进行周期性的扑翼运动。USTButterfly-II的扑翼振幅超过80赫兹，扑翼频率为5赫兹，比之前的机器蝴蝶更接近生物蝴蝶的扑翼特性。在机翼设计方面，机翼骨架采用碳棒，机翼膜采用氯化聚乙烯薄膜。该制造方法允许人造翅膀重量更轻并且具有更大的弹性变形性能。 针对无人机的转向控制，创新性地设计了一种质量移位机构。转向是通过调整质量移位机构的位置来完成的。质量移动机构结构简单，故障率低，使扑翼和转向控制独立运行利用14台高速运动跟踪摄像机对USTButterfly-Ⅱ飞机的机翼运动学和运动轨迹进行了多次连续襟翼的测量和分析。 基于USTButterfly-II反射标记的三维空间坐标，计算了机器蝴蝶的实时飞行轨迹、三轴姿态角、扑翼角、升力和推力系数等飞行参数，分析了机器蝴蝶的飞行特性，并与生物蝴蝶进行了比较。实验结果表明，机器蝴蝶在某些方面与生物蝴蝶相似，这有助于定量和定性分析蝴蝶的飞行机理。 本研究的主要贡献如下(1) 为了研究生物蝴蝶的飞行机制，设计了一种能够自由控制飞行的仿生机器蝴蝶。(2) 提出一种新型的无尾蝴蝶机器人转向控制机构。机器人蝴蝶的转向控制是通过旋转机身上的质量移位机构来实现的(3) 提出了一种新的机器蝴蝶的实验表征框架，不仅为机器蝴蝶的设计和改进提供了有价值的数据支持，而且有助于研究生物蝴蝶的飞行机制。本研究分为三个部分。 第2节描述了机器人蝴蝶的发展。第三部分介绍了运动捕捉实验、飞行特性计算方法和实验结果。第4节介绍了研究2. 机器人蝴蝶本节从系统概述、扑翼驱动子系统设计和质量移位机构设计三个方面介绍了USTButterfly-II的系统组成和设计方法。2.1. 系统概述燕尾蝶是一种常见的蝶类，研究者们根据其形态特征和飞行特性对其进行了广泛的研究。这些发现被用作机器蝴蝶的设计和与生物学的比较分析的参考。通过模仿燕尾蝶的翅膀形状和扑翼特性，设计了一种能够自由控制飞行的机器蝶。1.一、机器人蝴蝶有两对翅膀，翅膀的骨架由直径不同的碳纤维棒制成，其中包括直径为1.3毫米，1.5毫米和1毫米的碳纤维棒，使用分别用于前翅和后翅的边缘、主杆和肋。碳棒通过插入3D打印的连接器形成骨架形状。扑翼驱动机构由无刷电机、微型齿轮箱和平面四杆机构组成。设计了一个质量移动机构来提醒机器人的质心，该机构由飞行控制板、电子速度控制、转向伺服、电池和骨架组成。自主设计的飞控板尺寸为16.3 mm*23.2 mm，重量为2.8 g。 8.8 g锂电池被用作机器人的电源。样机总重量为54 g，其重量分解如图所示。二、2.2. 扑翼驱动子系统驱动子系统的设计与机翼运动学有关，对机器人蝴蝶的发展至关重要。蝴蝶的翅膀，不像其他昆虫，如苍蝇和蜜蜂，在拍打时不会旋转[23]。因此，驱动子系统只需要实现机翼的平移襟翼。如图3、驱动子系统采用平面四连杆机构，带有两个摇杆，使机翼周期性地拍动。为了减轻重量，齿轮由聚缩醛树脂制成，摇杆、连杆和框架部件由尼龙PA11制成。除了金属变速箱所有组件均使用3D打印制成H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）100076322图二. USTButterfly-II的重量分解。质量移位机构，包括飞行控制板，电子速度控制，转向伺服，电池和骨架，重量为22 g，占整个机器人（55 g）的41%图四、 具有双曲柄和双摇杆的四连杆机构的示意图。图三. USTButterfly-II的扑翼驱动机构。图图4示出了具有双曲柄和双摇杆的四连杆机构的示意图，其中P是摇杆锚定点，O和O′为齿轮中心，OA和O′ A′为曲柄长度���AB和A′ B′是连杆机构的长度，PB和PB′是摇杆机构的长度。������由于结构的对称性，���POO ′是一个等腰三角形（PO=PO′ =θ，OO′ =θ），OO′平行于水平面。将机架安装角定义为θ= arccos（θ scin2θ），机翼扑动角定义为θ，当机翼在水平面上方时，θ为正值。���当连杆AB和曲柄OA共线时，挥舞角θ达到其最大值和最小值，其表示如下：���max=������������������������������������������min=���������������������������������������根据活体观察资料[15]，帝王蝶在飞行中的扑翼频率范围为9 Hz ~11 Hz，扑翼振幅范围为191Hz ~ 291Hz。先前的研究表明，放大的机器蝴蝶可以提供足够的升力，同时降低翅膀拍打频率和振幅[20，21]。考虑到电机输出功率的限制，机器人蝴蝶被设计成以42赫兹的等振幅上下拍打翅膀，即，���max= 42��� 具体结构参数设定如下：���= 16.8 mm，������������2.3. 质量移动机构的设计与使用尾巴来控制方向的鸟类扑翼机器人不同，机器蝴蝶的无尾结构使转向控制变得困难[24，25]。一些生物，如蜥蜴，通过聪明地利用质量和惯性来提高它们的机动性。同样，我们提出了一个创新的转向控制机制的机器人蝴蝶。如图5、所设计的质量移位机构包括舵机、电子调速器、电池、飞行控制板和骨架。这个机器人的重心是通过控制转向伺服机构来改变的，转向伺服机构使整个机械装置旋转。由于质量移位器机构的旋转，机械蝴蝶的质心偏转，导致滚动运动。图6（a）显示了当USTButterfly-II的滚转角不为零时的偏航力矩产生机制。 图中的箭头L表示升力，上标R和L分别表示左右机翼。弧形阴影表示拍打笔划。 为了简单起见，假设一个拍动周期（一个向上冲程和一个向下冲程）产生的净推进力等于冲程中心平面上的力。通过将升力分解为水平和垂直分量，垂直力用于克服重力，指向左翼的水平力产生偏航力矩。如力分辨率所示，大小（方向）横滚角的大小影响水平力的大小（方向）。因此，可以通过控制转向伺服机构的旋转角度和方向来监控机器人蝴蝶的转向。实际飞行实验验证了转向控制机构的有效性，图6（b）是室内右转飞行的示例。H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000764图五、 当USTButterfly-II右转时，质量移位器机构的旋转。图第六章 偏航力矩产生机制的 演 示 和实际飞行实验。图第七章 Optitrack运动捕捉系统用于记录US T B u t t e r f l y - I I 的飞行。3. 机器蝴蝶光学跟踪设备被用来记录自由飞行的USTButterfly-II的机器人蝴蝶的飞行特性的量化。本节包含实验方法和结果的详细描述。3.1. 实验装置实验使用Optitrack运动捕捉系统进行，该系统包括14个摄像机，可捕捉约85平方米。实验地点和摄像机布置的俯视图如图所示 。 7（a）和图。 7（b）分别。对于随后的实验，基于标记物的重量和反射效果来选择反射球和贴纸的组合。反射标记的粘贴位置为示于图8中所示的标记物，并且各标记物的性质列于表1中。标记#1-4和#9-12是翅膀的背侧和腹侧上的相应标记，并且它们分别位于左前翅、右前翅、左后翅和右后翅上。在翼尖贴上反光贴纸，一方面提高了系统的捕捉率，另一方面也记录了机翼的变形。同时，反射标记重叠并附着在相应位置，以防止它们在翅膀拍打时丢失。标记5 -8已粘贴到机身标记点3.2. 数据后处理在这一部分中，定义并计算了一些典型的飞行参数，以定量描述机器蝴蝶的飞行特性。首先，三轴姿态和挥舞角的H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000765||Bit（）=（0，1，0） ������⎨⎪⎨|2���见图8。 标记红色圆圈中的位置。表1标记的属性标记#直径尺寸，cm类型12圆形贴纸22圆形贴纸32圆形贴纸42圆形贴纸51.5球体61个半球体71个半球体81.5球体92圆形贴纸102圆形贴纸112圆形贴纸12 2圆形贴纸计算前翅和后翅。此外，攻角，升力，推力，以及它们各自的系数进行了计算。最后，定义并计算上升角来衡量爬升效率，定义并计算推进比和飞行速度来衡量推进效率。如图9、建立了以机器人质心为原点的���������������纵轴垂直于身体的对称平面并指向右侧，纵轴垂直于纵轴并指向上方。������θ位于物体的对称平面内，与θ和θ形成一个右直角坐标系。 运动捕捉系统可以提供反射标记在地面坐标系OXYZ中的空间坐标，如图1的左下角所示。第九章3.2.1. 姿态角在计算姿态角之前，需要确定车体坐标系各轴在地面坐标系中的实时坐标。如图10所示，使用三个标记计算三个标记A、B和C都位于平面内。− Z b和A之间的交叉角为���=1 0和ABC=25。图第九章 建立人体坐标系和地面坐标系。图10. 用于计算实体坐标系的参考标记。此外，由于轴垂直于平面指向由于X轴垂直于平面ABC，因此X轴���������向量为Xb=A×。假设长度为1，则可以通过以下等式确定������������������向上，轴的矢量������为���：此外，桨距角θ可以如下确定⎧⎪|⃖⃖⃖ ⃖b⃗|=1个B���⎧⎪arccos⃖⃖⃖⃖⃗���⋅(0,1,0)−���,(zz≥0）⎪⃖⃖⃖⃖⃗⋅⃖⃖⃖⃖⃗=0⃖⃖⃖⃖⃗���2−A⃖⃖⃖⃖⃗− arccos− ，（zz 0）≥0）中国（3）H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000766||4|���=|⃖⃖⃖⃖⃗|（四）⃖⃖⃖⃖A⃖⃗⎪⎪|���|a rccos<–⎪⃖⃖⃖⃖⃗���⋅(0,1,0)+|⃖⃖⃖ ⃖⃗|3，（zz 0 0）������⎩⎪⎜⎝⃖⃖⃖ ⃖⃖⃗⎟⎠⎩⎪|���|||H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000767||||���2||���|⎣⎦⎪|⃖⃖⃖ ⃖b⃖ ⃖，x⃖⃖o⃖⃗⃖z|AL，= AL−|第二章（八）|b，xoz（0，0，1）阿尔科斯|���⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖⃗⋅⃖⃖⃖⃗<0 ∧���+ 3年，（年）必须首先进行从地面坐标系到身体坐标系的变换。定义3轴加速度⎩|���||���|作为���=[]������������������������]和���=[]������������������������]、||⎪⎨定义横滚角b=（x，y，y）和横滚角b=（0，1，0）×横滚角b=（x，y，y），���������3.2.3. 升力和推力系数的计算���图十一岁 用于计算质心坐标的参考标记。图12个。 用于计算翅 膀 扑翼角度的参考标记。假设在地平面XOZ上的投影为xb，则xoz=一个例子。定义投影A在L平面（θ1，0，θ2），则偏航角θ 1可以如下确定一个不确定的函数L_n，N_n，N_n，N_n，N_n产生以下等式：���������⎧⎪arccos⃖⃖⃖⃖b⃖⃖,x⃖⃖o⃖⃗⃖z⋅(0,0,1),(x≥0）⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗（A）L���）⃖⃖⃖⃖⃗���=⃖⃖⃖ ⃖|⃖⃖⃖⃖ ⃖⃗⃖|（五）���⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⃖⃖⃖⃗–⃖⃖⃖⃖b⃖⃖,x⃖⃖o⃖⃗⃖zL2|A|⃖⃖⃖⃗|⃖⃖ ⃖⃗|⎩|L、||���|������计算升力和推力时作了下列假设arccos⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⋅ ⃖⃖⃖⃗|⃖⃖⃖|⃖⃖⃖⃗|⃖⃖⃖⃗���|������–在这项研究中：首先，假设左右机翼的升力和推力相等，其次，升力方向与轴线���方向一致，推力方向与轴线方向一致，⎪|���|||相反的方向，轴线根据这些假设，计算阿尔科斯⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖⃗⋅⃖⃖⃖⃗���–升力和推力的计算需要求解中心的三轴加速度���=���|⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃗||⃖⃖⃖⃗���|2、产品展示>���（六）在物体坐标系中的质量������������ 因此，旋转⎪|⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖⃖⃖⃖ ⃖⃗||⃖⃖⃗|4������重心在地面和身体坐标系中的位置接下来，计算质心的坐标，所用的标记物如图2所示。 11，其中M是质心，并且四个点A、B、C和M共面，其中A = 42π，分别该方程可以表示为：���������������������×=18 |⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃗|=0。039米。⎡⎢1000辛辛然后，矢量R| ⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃗|可以用下面的公式来确定：���= 100cos ���sin���π，���= π 010分，以及z≤0）H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000768⎪⎨⎢⎥|| ||||||⎢⎣⎥⎦[]���������������，������，���������������[]���，������������������x,������y,���������,���，3轴加速度为⎩[]选择：⎧⎪|⃖⃖⃖ ⃖⃖⃖ ⃖⃗|=0。039⎢0−sincos������������cos⎢⎣−sin���0因为你是我的⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⋅⃖⃖⃖⃖⃗���=0cos（⎪⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⋅⃖⃖⃖⃖A⃖⃗⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⃖⃖⃖⃖A⃖⃗（七）���= sin������（十）0 0 1让质心在地面上的坐标arccos（）A⎪系统be=[���������三轴速度为 为⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃖⃗⃖⃖⃖⃖⃖⃗H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）1000769���，，���，H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）100076103.2.2. 机翼扑动角的计算用于计算扑翼角度的参考标记H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007611机翼如图所示。12，点A位于机翼根旋转轴，L、、L和是H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007612左前翅、右前翅、左后翅和右后翅，分别H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007613设φL、φ L、φL和φ L为左翼右前翅，右前翅，左后翅，右后翅，H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007614很好由于所有四个机翼的扑翼角度都是在同样的方法，左前翅的扑翼角度被用作H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007615������������=运动的采样频率H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007616捕获系统为240 Hz。公式如下：������= (���+1−���)���(11)H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007617���������������������，让物体质心的加速度在坐标系中H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007618系统被删除=���������,then��� =���.带有反光标记的机器蝴蝶的总质量H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007619测得的重力加速度为：������ = 9.8 m闪烁2. 地面坐标系中的重力为=H. 黄，W.他，Z。Chen等人仿生智能与机器人2（2022）10007620