飞行和吸附两栖机器人机理问题研究

There is a growing demand to gather three-dimensional spatial information. Currently, developed countries have invested a lot of research funding on ground mobile robots and aerial robots. All these robots have their own advantages and limitations. Therefore it has practical and theoretical value to perform research on the flying and adhesive robotics to satisfy the demand. Inspired by the bat-like animals, we propose an innovative flying and adhesive robot in this project. The fundamental scientific problems about the robot will be thoroughly studied that include: (a) how to control the robot to adhere to a complex surface steadily and robustly; (b) how to construct the dynamic model of this complex robotic systems; and (c) how to smoothly switch between flying and perching. Because the typical flight control algorithms completely fail to deal with the contact force with the external environment, we will investigate the new mechanism of the flying and adhesive robot and study new control methods to smoothly control the motion of the robot. The research results will open up new ways for flying and adhesive robotics and lay the theoretical foundation for motion control of this new type of robots. It will also generate significant practical values and economic benefits.

三维空间信息侦查有重大需求，世界发达国家投入了大量经费研究地面移动机器人以及空中飞行机器人，这些机器人各有优势，但都有其局限性，因此开展具有飞行和吸附两栖能力的机器人研究具有重大的科学意义和理论价值。受蝙蝠类动物的启发，本项目创新性提出飞行和吸附两栖机器人，深入研究围绕该两栖机器人的基础科学问题，主要包括两栖机器人复杂表面主动稳定吸附问题，外界拘束环境下飞行吸附机器人的动力学数学模型及飞行、飞行和吸附间切换过程的协同控制方法，揭示飞行、吸附两种模态转换过程中由于壁面反作用力或者吸附力的约束导致正常飞行控制规律完全失效下的新的机理问题，研发该机器人系统平台并开展实验研究。本项目研究成果既为两栖机器人开辟新的方法和奠定理论基础，也有着重大应用价值和经济效益。

三维空间信息侦查有重大需求，世界发达国家投入大量经费研究地面移动机器人、爬壁机器人以及空中飞行机器人，但这些机器人都有其局限性。因此本课题基于创新性提出的飞行和吸附两栖机器人深入研究其基础科学问题，该研究具有重大的科学意义和应用价值。.围绕飞行吸附两栖机器人，本课题主要研究了吸附机制和吸附装置的优化设计、飞行吸附机器人动力学建模与近面效应等机理问题以及飞行吸附两栖机器人控制算法，研制了多尺寸多型号（顶面吸附、侧面吸附及万向吸附）飞行吸附两栖机器人系统平台，实现了吸附装置（负压、静电和复合吸附）、性能实验测试台、飞行吸附两栖机器人控制与仿真等关键模块。基于研制的平台，开展了顶面吸附、侧面吸附等一系列实验，结果表明飞行吸附两栖机器人能够各种壁面上实现稳定的吸附,验证了以上研究内容及技术成果的可行性及正确性。.本课题创新性提出了静电和负压复合以及负压和手爪复合的仿生吸附、可分离回收飞行吸附两栖机器人新概念并研制了实验样机，突破了飞行吸附机器人非对称结构下的动力学建模、无限和有限近面效应的影响规律、吸附过程中基于力观测器的阻抗控制等关键技术，揭示了主要因素对吸附力的影响规律、拘束环境对升力的影响规律以及吸附过程的控制机制，攻克了飞行吸附两栖机器人的机理问题。研究结果为两栖机器人开辟了新的方法和奠定了理论基础。.发表了相关学术论文23篇，其中SCI收录及机器人领域top3会议论文 5篇，ESCI收录1篇，EI收录论文及国内核心论文17篇；国家发明专利6项，其中已授权2项；开展了与美国2所大学的国际学术交流与合作；培养了14名硕士、博士研究生。.飞行吸附两栖机器人能够精准可靠地吸附在目标位置，实现快速机动应急布控，携带载荷完成侦查及精准打击等任务，满足了在社会公共安全等领域应急布控侦察的应用需求，取得的研究成果提升了我国社会公共安全自主技术装备水平，具有明显的军事及民用应用推广前景。