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會翻身的仿生有翅機器蟑螂

本篇介紹仿生盤狀蜚蠊的有翅機器蟑螂,具有一對可開合背板的翅膀,當跌倒翻肚時能迅速翻轉恢復正常姿勢,這種能力可翻山越嶺並應用於救災、環境監測、偵測、和探測等
 
 
 

小型快速運行的機器人如果遇到障礙物或踩到凹凸處,可能因重心不穩而摔倒翻肚,卻無法像動物或昆蟲可藉助身體、四肢、六足或翅膀設法翻轉復原,只能原地空轉,耗盡動力被迫中斷任務。但美國科學家們已經研發出一款仿生盤狀蜚蠊(Blaberus discoidalis)的六足機器蟑螂,具有一對可開合背板的翅膀,當遇遭複雜地形導致跌倒翻轉成腹面朝上時,可利用有翅的橢圓體型優勢,模擬真實蟑螂翻轉恢復正常,實現動態自我適應與矯正,即使在電量不足時也能設法翻正、持續運行,完成既定任務。

 

被科學家當成設計機器蟑螂運動學基礎的盤狀蜚蠊,原產於中美洲和墨西哥,在美國等地常被人工飼養繁殖當成寵物飼料。又稱為盤狀蟑螂、熱帶蟑螂、海地蟑螂、偽死人頭蟑螂,屬於蜚蠊目(Blattaria或Blattodea)匍蠊科(Blaberidae),本種前胸背板有死人頭(骷髏頭)圖案,外形類似死人頭蟑螂(B. craniifer)。成蟲體長約3.5-4.5公分,若蟲無翅,成蟲有翅、卻很少飛,也無法攀爬光滑垂直表面,運動速度比美洲家蠊(Periplaneta americana)慢、且相對效率低,較容易觀察和試驗。研究團隊發現動物的自我矯正行為很複雜,盤狀蜚蠊翻倒時,大部分以翅膀和身體彎曲姿勢翻轉恢復,翻正速度達平均每秒1.6次。而機器蟑螂雖可利用完整的橢圓形背板以各種姿勢穿越地面障礙,但若因此翻倒變成六足朝天,就會被困住無法翻身,因此模仿其技巧,實現和理解使用翅膀的自我矯正機制。

 

仿生的有翅機器蟑螂重100公克,長、寬、高為18x12x3公分,採用去除六足的VelociRoACH蟑螂機器人之機體(長、寬、高為11x6.5x3公分),加裝馬達、變速器,再模仿盤狀蜚蠊使用翅膀的自我矯正機制,將厚卡片紙完整背板切成兩半並加裝驅動器,設計和仿製出雙翅可閉合及打開的橢圓形外殼翅膀。以智能複合微結構製造技術開發3D列印的兩個自由度(degree-of-freedom,簡稱DoF)關節接頭和四連桿傳動,接頭將翅膀連接到機體的前端。第一個自由度允許翅膀基部傾斜,第二個自由度使翅膀滾動到底座的中線,兩個伺服馬達可透過相同或獨立的控制信號驅動對稱或不對稱的打開雙翅,讓翅膀以類似蟑螂的方式移動,當完全閉合時形成橢圓形外殼就類似真實蟑螂,確保機械蟑螂能利用橢圓的背板模擬翻正。

 

機器蟑螂的自我矯正性能取決於影響其動作的翅膀打開幅度、速度、同步性、不對稱性、和翅膀形狀。測試結果發現,機器蟑螂的雙翅打開的速度越迅速、向外延伸幅度越大,就越快成功翻正;即使當電池電量較低,不對稱打開翅膀、展翅幅度較小時,依然有機會完成翻正動作。由於翅膀的開合是動態行為、並使機器蟑螂變形,因此能隨時利用動能翻越障礙,依此可設計出最合適的翅膀形狀,並能精確控制其開合達到預期效果,這種解決方案的成功率和速度都比現有的復原機制高,達成蟑螂機器人實現透過地形動力學(terradynamic)自我矯正、穿越各種障礙物等多種運動功能,不用再耗時費心設計變形外殼、轉移重心、被動旋轉、或重組機身等方式來躲避障礙。

 

這款仿生有翅機器蟑螂由美國約翰霍普金斯大學(Johns Hopkins University)李(Chen Li)助理教授、美軍研究實驗室(United States Army Research Laboratory)、及加州大學柏克萊分校共同合作,2016年10月在IEEE/RSJ智能機器人與系統國際會議(International Conference on Intelligent Robots and Systems,簡稱IROS)發表,將可視指令穿越崎嶇不平或混亂的地形地貌,如沙漠、森林、高山、倒塌建築瓦礫和碎片,不用擔心遭遇靜態和動態不穩定性和旋轉擾動、無法產生適當的地面反作用力,而造成翻倒和失去移動性的風險,故將擁有翻山越嶺的能力,可在救災時發揮奇效,並幫助人們執行環境監測、偵察、搜索和救援,以及外星探測等重要任務。

 

未來研究團隊將以此基礎研發新的實驗工具和理論模型,研究機器人和昆蟲在現實世界中的地形適應反饋機制,用以設計和控制全地形機器人,並擴及空中和水中機器人的應用。

 

(以上新聞編譯自2016年10月發行之2016 IEEE/RSJ IROS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:
Ackerman, E. 2016. Cockroach robot flips itself with insect-inspired wings. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Robot Sensors & Actuators, November 17, 2016.
Blaberus discoidalis. 2017. Wikipedia, https://en.wikipedia.org/wiki/Blaberus_discoidalis (Visit date: 2017/01/13).
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.
Li, C., A. O. Pullin, D. W. Haldane, H. K. Lam, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2015. Terradynamically streamlined shapes in animals and robots enhances traversability through densely cluttered terrain. Bioinspiration & Biomimetics, 10 (4): 046003-1-24.
來源 來源:
Li, C., C. C. Kessens, A. Young, R. S. Fearing, and R. J. Full. 2016. Cockroach-inspired winged robot reveals principles of ground-based dynamic self-righting. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS 2016), 2128-2134.
Li, C., T. Wöhrl, H. K. Lam, R. J. Full. 2015. Fast, flipping cockroaches: dynamic, self-righting behavior. Society for Integrative and Comparative Biology, 2015 Annual Meeting, 55: E111.
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