仿生螞蟻(四):能飛會停兼爬牆的迷你機器人「SCAMP」

 
2017/05/22 歐陽盛菊 | 國立清華大學工業工程與工程管理研究所
歐陽盛芝 | 國立臺灣博物館
賴婉婷 | 國立臺灣博物館研究組
仿生四軸飛行機器人SCAMP有飛行、降落、停棲、攀爬等功能(圖片來源:黃正文)。 黑棘蟻(Polyrhachis dives)會攀爬到植物上活動覓食(圖片來源:賴景陽)
  • 仿生四軸飛行機器人SCAMP有飛行、降落、停棲、攀爬等功能(圖片來源:黃正文)。
  • 黑棘蟻(Polyrhachis dives)會攀爬到植物上活動覓食(圖片來源:賴景陽)
 

集結史丹佛大學十多年來的仿生、乾黏附、攀爬機器人、停棲(perching)等多項研究成果,克高斯基(Mark Cutkosky)教授的研究團隊今(2016)年3月在《科技綜覽》(IEEE Spectrum)雜誌,由博士生波普(Morgan Pope)公布一款稱為「史丹佛攀爬與飛行操控平台」(Stanford Climbing and Aerial Maneuvering Platform,簡稱SCAMP)的新型四軸飛行機器人,採用模仿螞蟻體型及團隊模式、壁虎足底剛毛結構、和尺蠖步態(gait)所開發,可負重超過體重百倍在垂直光滑牆面移動的9公克迷你機器人為主體,裝設四旋翼飛機(quadrotors),再添加仿生啄木鳥、盲蛛(daddy longlegs)、和蟑螂的構造,首創具備結合飛行、降落、停棲、攀爬等功能,當攀爬或停棲失敗時,還能立即恢復再次嘗試。算是既能飛上天空,又能在垂直牆壁降落,用有微棘刺的足抓住牆面停棲和攀爬,若不小心滑落還能夠再爬上牆的超級機器人。

 

這款多功能仿生迷你機器人屬於微型飛行器(Micro Aerial Vehicles,簡稱MAVs),透過機載感應器和電腦控制,因體型很小,與空氣的相互作用較大,對接觸表面的黏附力更高,遭受碰撞時更穩定,可很快調整方向,且容易找到降落地點。但因電池容量小,目前僅能在小範圍內維持3分鐘飛行,但若中途停棲,續航力可長達2小時至數天。

 

四軸飛行器(quadcopters)就是平時通稱的無人機(Drone),也稱為四旋翼飛機,受電池容量和小規模飛行的物理性限制,續航力很短,能準確安全降落的機率很低,消費型無人機航程僅能維持在30分鐘以內,若安裝額外的感測器或視訊攝影鏡頭,會因耗電而縮短飛行時間及距離,失去動力時可能突然墜落,造成安全問題及經濟損失。因此無人機的停棲和降落技術仍存在許多難題,而此款SCAMP已達成能安全降落,延長操作時間從數小時至數天,並在靜止時執行數據收集或通訊任務。

 

SCAMP是將可負重超過積體重量百倍在垂直光滑牆面移動攀爬的9公克迷你機器人,加裝德國製造的小型蜂鳥四旋翼飛機(Hummingbird quadrotor)用以飛行,另模仿啄木鳥啄木時用來平衡的尾巴,在機器人後端加裝一個剛性尾巴平衡重量,有利於降落後平穩停棲。由於在戶外要找到合適降落地點的機率很小,SCAMP的攀爬能力有助於在垂直牆壁降落,迷你機器人會先以尾部飛向牆壁,頭部朝上,當機載加速度感應器(onboard accelerometers)檢測到撞擊,就會開啟回轉軸(rotors)使推力最大化,利用空氣動力推動機體壓在牆面上,讓機體和長足向牆壁黏附,直到撞擊振動平息,然後足的微棘刺(microspines)會接觸嚙合牆面,SCAMP的回轉軸關閉並開始攀爬。

 

迷你機器人SCAMP需要可操作性而非負重能力,因此修改設計讓足更細長且步幅更大;其攀爬機制重量僅有11公克,一雙細長輕巧的長足以碳纖維(carbon fiber)和高強輕質彈性線(Spectra,PE編織線)模仿盲蛛的長足製造,重量輕、且功率損耗低,有助於飛向和遠離牆面,長足末端底座加裝含數十萬個微形錐體(microwedge)玻璃纖維黏片和模仿蟑螂足上棘刺(spines)所研發「微棘刺」(microspines)結構,確保SCAMP能黏附和攀爬任何材質表面;步幅從每步1.2公分增加到9公分,由高扭矩密度(torque-density)伺服器驅動,另一個更小的伺服器則驅動定向黏附和離開接觸表面,在兩足間交替負載荷重策略。機器人的碳纖維框架另一端連接兩個輪子和一個具黏片和微棘刺結構的起飛臂,均能輔助攀爬功能。微棘刺是一種硬質鋼倒鉤盤形裝置,不僅增強吸附力,並可扣住混凝土般堅硬粗糙表面垂直攀爬,甚至能讓機器人像蝙蝠一樣倒吊在天花板上。

 

因粗糙的水泥或灰泥牆面不像平滑的玻璃窗那樣表面平整,且不可預測,但具有攀爬能力的SCAMP,能更準確飛抵目的地且精準的重新定位;若因故喪失黏附力向下跌落時,加速度感應器偵測到突發的垂直加速度,就會暫時開啟回轉軸,將機器人推回牆面,重新穩定後再恢復攀登或至固定位置停棲;即使遭遇不適合飛行的強風時,也能攀爬到預定地點降落、停棲、和執行任務。

 

四軸飛行器能到達人類不宜或不能去的地方,2011年3月11日日本311大地震導致福島核災後,科學家就曾組成無人機群進入位於仙臺的東北大學(Tohoku University)校區內進行災後地圖繪製及損失評估作業。因此可以預期新型四軸飛行機器人的應用將更為廣泛,不但可在戰場或救災中發揮作用,也可搭載熱成像儀、高解析度畫質影像採集設備等精密儀器,實現遠端實況監控,並可立刻傳回現場圖像至指揮中心,提供即時的空中全方位立體影像,利於現場指揮員作出更為有利的決策依據。許多任務其實無須機器人持續飛行或運動,只需停棲狀態即可達成,例如在災區定點作為無線電中繼站執行通訊任務,或在定點收集、拍攝、紀錄相關資料或數據等,甚至在不利飛行的天氣時可暫停運作,待天氣好轉時再恢復功能。

 

研究團隊希望體型小、可靈活執行任務的迷你機器人SCAMP,未來也能像螞蟻發揮團隊合作的集群(swarm)功能,即使其中有幾個機器人失敗,可繼續工作而不會影響成果,甚至能完成單一個體無法勝任的任務。

 

(以上新聞編譯自2016年3月16日發行之IEEE Spectrum雜誌等)

 

(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

 
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  • 來源:Pope, M. 2016. Stanford's flying, perching SCAMP robot can climb straight up walls. IEEE Spectrum / Automaton / Robotics / Drones, March 16, 2016.Pope, M. 2016. SCAMP: the Stanford climbing and aerial maneuvering platform. Biomimetics and Dexterous Manipulation Laboratory / Stanford / Main / SCAMP, April 7, 2016.
     
  • 延伸閱讀:
     
    • Asbeck, A. T., S. Kim, M. R. Cutkosky, W. R. Provancher, and M. Lanzetta. 2006. Scaling hard vertical surfaces with compliant microspine arrays. International Journal of Robotics Research, 25(12): 1165-1179.
    • Hawkes, E. W., D. L. Christensen, and M. R. Cutkosky. 2015. Vertical dry adhesive climbing with a 100x bodyweight payload. in 2015 IEEE International Conference on Robotics and Automation (ICRA), IEEE 2015, 3762-2769.
    • Michael, N., S. Shen, K. Mohta, Y. Mulgaonkar, V. Kumar, K. Nagatani, Y. Okada, S. Kiribayashi, K. Otake, K. Yoshida, K. Ohho, E. Takeuchi, and S. Tadokoro. 2012. Collaborative mapping of an earthquake-damaged building via ground and aerial robots. Journal of Field Robotics, 29(5): 832-841.
    • Spenko, M. J., G. C. Haynes, J. A. Saunders, M. R. Cutkosky, and A. A. Rizzi. 2008. Bio.logically inspired climbing with a hexapedal robot. Journal of Field Robotics, 25(4-5): 223-242.
    • Thomas, J., G. Loianno, M. Pope, E. W. Hawkes, M. A. Estrada, H. Jiang, M. R. Cutkosky, and V. Kumar. 2015. Planning and control of aggressive maneuvers for perching on inclined and vertical surfaces. ASME 2015 International Design Engineering Technical Conferences and Computers and Information in Engineering Conference, 5C: V05CT08A012-1-10.
    • Thomas, J., M. Pope, G. Loianno, E. W. Hawkes, M. A. Estrada, H. Jiang, M. R. Cutkosky, and V. Kumar. 2016. Aggressive flight with quadrotors for perching on inclined surfaces. Journal of Mechanisms and Robotics, 8(5): 051007-1-10.
     
 
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