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仿生蟑螂微型合體機器人

本篇介紹仿生美洲家蠊的六足跑步微型蟑螂機器人VelociRoAch每秒可跑2.7公尺,搭載每秒能飛1.2公尺的撲翼式微型飛行器H2Bird,成為一款能共同合作的微型合體機器人,具有空中和地面雙重優勢,並延長執行搜救或監視任務時間
 
 
 
隨處可見的蟑螂也成為科學家研發機器人的仿生對象了!這種擅跑又能飛的昆蟲可以迅速移動進出極小縫隙,可用六足、四足、甚至只用兩隻後足行動,能高速攀爬和逆轉,具有優異的運動性,美國加州大學柏克萊分校(UC Berkeley)費林(Ronald S. Fearing)教授領導的研究團隊因此研發出仿生美洲家蠊(Periplaneta americana)的六足跑步微型蟑螂機器人VelociRoACH,結合撲翼式微型飛行器H2Bird成為一款具多種優異功能、可共同團隊合作的微型合體機器人,並已於2015年5月在2015 IEEE國際機器人與自動化大會(International Conference on Robotics and Automation,簡稱ICRA)發表。這項設計可解決微型飛行機器人受限於電池壽命,無法執行較長時間空中偵測任務的問題,若借助地面行動機器人運輸至定點後再起飛,可有效節省動力且延長飛行時間,同時能收集回傳空中和地面資料。

美洲家蠊又稱為美洲大蠊、美洲蟑螂、或美國蟑螂,屬於蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)蜚蠊科(Blattidae),原本分布於美國和熱帶地區,目前已遍及包括臺灣的全球各地。本種為雜食性的有翅昆蟲,成蟲平均體長約4公分,發育期約半年至一年,壽命可長達一年至一年半。其適應力非常強且容易繁殖,生活於溫暖潮濕的室內或戶外環境,不僅族群數量龐大,且為室內常見的居家害蟲和衛生害蟲。1991年加州大學柏克萊分校的科學家(S. A. Shukolyukov)計算其步行或爬行的速度每小時可達5.4公里,等於50倍體長的距離,每秒約跑1.5-3公尺,相當於每小時能跑330公里的人類男性。依此於2013年研發的VelociRoACH堪稱跑最快的六足機器人,能以24 Hz的步幅頻率(stride frequency)運行高達每秒2.7公尺(等於27倍體長距離),相當於每小時移動9.72公里,甚至超越美洲家蠊的速度。

VelociRoACH的長、寬、高為10×6.5×4.2公分,重30公克(包括3.7 V,120 mAh電池),主體由3D列印的剛性結構核心組成,使用機載微控制器(ImageProc 2.5)計算和控制,6條直徑2.25公分的彈性C形足以聚氨酯橡膠(Smooth On PMC-790,polyurethane rubber,簡稱PU)製成,模仿美洲家蠊用三個支點同時支撐的「三腳架」步態(左前/右中/左後足和右前/左中/右後足兩組交替)行走,機體兩側以碳纖維框架加裝仿翅膀的矩形聚酯膜(聚對苯二甲酸乙二醇酯polyethylene terephthalate,簡稱PET)四連桿結構(長、寬為5×4公分,厚50μm)充當空氣動力穩定器(aerodynamic stabilizer),防止前後足力量所導致的偏轉和振動。它能夠快速穿越超過3.2公分高度(高於其臀部高度)的障礙物,也可在如小礫石(直徑小於1公分)地面的崎嶇地形有效移動,最大有效荷載為125公克,超過機體重量4倍。由於最大運作頻率時的功耗低,以最高速度運動時的電池壽命是27分鐘,能在水平地面跑4.43公里。

H2Bird是撲翼式微型飛行器(機器鳥)改裝自模仿蜂鳥外形和停棲功能的遙控飛鳥撲翼機(Silverlit i-Bird Ornithopter),並模仿蒼蠅飛行時複眼視覺控制的光流(optical flow)運動檢測(即生物運動時在視覺範圍內所有可見物體的相對移動)和導航方式,採用其動力傳動系統和能合攏張開的翅膀架構,將一對翅膀修改為在相同位置上下重疊的兩對翅膀,翅展長改為26.5公分,機體長20公分,重13.2公克。翅膀以聚酯薄膜(Mylar)製成並以碳纖維框架增強機體、翅膀、和尾部,用12.7μm厚的PET覆蓋,以快乾膠接到翼樑。使用機載微控制器(ImageProc 2.4)計算和控制,尾部安裝的螺旋推進器用於偏擺控制,以伺服器驅動的升降舵用於俯仰控制。經測試在單個3.7 V,90 mAh鋰電池供電時,可攜帶2.8公克的有效荷載,以平均對地速度每秒1.2公尺飛行近10分鐘;最大拍翼頻率約16 Hz時,可飛行約2.5分鐘。但因翅膀不足以抵抗地面接觸阻力和重量,故無法從地面休息狀態直接起飛,因此以VelociRoACH作為發射器,補足此功能。

將H2Bird放在VelociRoACH背上載運助跑,並發射H2Bird至空中起飛,VelociRoACH則繼續在地面跑步,這款由兩個獨立的機器人合體而成的微型機器人要團隊合作需解決許多問題,因此採用光流視覺算法(Optical flow vision algorithms)使它們能合作感應和導航以克服障礙。合體時H2Bird在VelociRoACH助跑下得達到所需發射速度,研究團隊利用風洞試驗收集相關數據,修改VelociRoACH原型以達成這些需求,故將扁平碳纖維樑製成的2.5×1公釐支架固定在VelociRoACH頂部,支架前端及後端高度分別為9公分與6公分,前後則相距7公分,防止H2Bird的尾部在起飛前或起飛時刮到地面,並以厚度2密耳(mil,千分之一英吋=25.4μm)的PET吊帶支撐,同時移除兩側協助穩定的四連桿結構,經改裝後重量為32公克。H2Bird則以25°的角度托置在支架中,提供足夠起飛高度的初始俯仰角,且使阻力最小化。經測試得知,當VelociRoACH運動達最小速度每秒1.2公尺時,H2Bird能以35-40度角發射出去,並成功拍動兩對翅膀產生上升氣流飛行。

微型合體機器人顯示合作比獨立運動具更高效率,且合體的運輸成本低於個體。若以17 Hz步幅頻率跑動,平均功耗比單獨運動增加約24.5%,但搭載H2Bird可減少約90%的俯仰和滾動速度變異,故能增加VelociRoACH的穩定性;若H2Bird在運輸過程中以5Hz頻率撲翼振翅,不僅可有效降低重量,並可讓VelociRoACH的穩定狀態速度增加12.7%,降低約16%的運輸成本。未來將朝向自動發射系統發展,取代目前靠遙控器控制個體或合體運動,使VelociRoACH可無需人為干預、自主命令H2Bird啟動。研究團隊也希望能使VelociRoACH具有回收降落的H2Bird、並再次搭載起飛功能,使微型合體機器人能充分利用空中和地面雙重優勢,執行效率更佳、範圍更廣。

有朝一日當災難發生時,H2Bird將能配備生命探測器、攝影鏡頭等設備,捕捉倖存者的呼吸和心跳信號,傳輸影像給搜救者,同時搭配VelociRoACH這類能克服各種地形機器人的效率和耐力,深入危險地帶拍攝或收集研究數據和資料,或執行災後各種複雜的地形搜尋和測繪,讓搜救團隊能快速確定現場狀況或倖存者的具體位置和情況,在第一時間制定有效的救援方案並執行搶救任務,提高搜救或監視任務效益。

(以上新聞編譯自2015年5月發行之2015 IEEE ICRA會議論文等)
(本文由科技部補助「向大自然借鏡:生物行為的科學解密」執行團隊撰稿)

責任編輯:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
審校:歐陽盛芝/國立臺灣博物館
 
延伸閱讀:
Rose, C. J., P. Mahmoudieh, and R. S. Fearing. 2015. Coordinated launching of an ornithopter with a hexapedal robot. 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2015, 4029-4035.
Baek, S. S., F. L. G. Bermudez, and R. S. Fearing. 2011. Flight control for target seeking by 13 gram ornithopter. 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 2674-2681.
Haldane, D. W., K. C. Peterson, F. L. G. Bermudez, and R. S. Fearing. 2013.
Animal-inspired design and aerodynamic stabilization of a hexapedal millirobot. Proceedings of the 13th International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2013), International Foundation for Autonomous Agents and Multiagent Systems, 3279-3286.
Julian, R. C., C. J. Rose, H. Hu, and R. S. Fearing. 2013. Cooperative control and modeling for narrow passage traversal with an ornithopter MAV and lightweight ground station. Proceedings of the 13th International Conference on Autonomous Agents and Multiagent Systems (AAMAS 2013), International Foundation for Autonomous Agents and Multiagent Systems, 103-110.
Peterson, K. and R. S. Fearing. 2011. Experimental dynamics of wing awssisted running for a bipedal ornithopter. 2011 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, 5080-5086.
Rose, C. 2015. Modeling and Control of an Ornithopter for Non-Equilibrium Maneuvers. Electrical Engineering and Computer Sciences University of California at Berkeley, Technical Report No. UCB/EECS-2015-250.
Shukolyukov, S. A. 2001. Discovering the achievements of the American cockroach. UniSci / Daily University Science News, September 27, 2001.
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