扑翼机器人弹跳辅助起飞的多模式运动机理和控制方法研究

With the characteristics of high energy efficiency, agility, and concealment, flapping wing robots have good application prospects in military and civil fields. However, it is not easy for this kind of robots to take off themselves. This prohibits the widespread use of flapping wing robots. In this project, a new flapping wing robot model with multi-modal locomotion capabilities is proposed inspired by the flapping and jumping of birds. The self-takeoff function is implemented by combining jumping and flapping. The flapping and jumping multi-modal locomotion mechanisms are not known and the existing models cannot describe this special locomotion completely. In order to deal with these problems, a testing platform will be built for investigating the jumping aided takeoff process of birds. The mathematical model and performance assessment system of multi-modal locomotion are established. The modeling and design methods of the proposed robot are presented. The bilateral teleoperation control method based on force-feedback hand controllers and virtual reality technology is proposed firstly to deal with the high dynamic characteristics and uncertainties of the multi-modal locomotion. Based on this, a hierarchical control strategy and a Central Pattern Generator (CPG) model are proposed to study the autonomous control method of the robot. Moreover, the self-energy-supply method will be investigated, and the proposed robot will be used to explain the hypotheses of the origin of birds. The research findings in this project will provide some theories and methods for self-takeoff of flapping wing robots, and speed up the process of the application of this kind of robots.

扑翼机器人具有高效性、敏捷性和隐蔽性等特点，在军事和民用领域有良好的应用前景，但目前还很难实现自主起飞，这限制了其广泛应用。本项目提出模仿鸟类扑翼与弹跳多模式运动的新型扑翼机器人模型，采用弹跳辅助方式实现自主起飞。为解决扑翼与弹跳多模式运动机理不清楚，现有模型不能完全描述这种特殊运动的问题，将搭建测试平台对鸟类弹跳辅助起飞过程进行深入研究，建立多模式运动的数学模型和性能评价体系，对扑翼与弹跳多模式运动机器人进行建模和设计方法研究。针对这种多模式运动具有高动态性和不确定性的特点，首先基于力反馈手控器和虚拟现实技术设计双边遥操作控制方法，在此基础上研究基于分层控制策略和中枢模式发生器模型的自主控制方法。此外，将研究这种机器人的自主能量补给方法，并运用该机器人从工程角度解释鸟类起源的假说。本项目的研究成果将解决扑翼机器人自主起飞相关的若干理论和方法问题，加速该类机器人的实用化进程。

扑翼机器人相比于固定翼和旋翼机器人具有高效性、敏捷性和隐蔽性等优点，可执行大范围侦察探测、安全巡检和灾后搜救等任务，在军事和民用领域都有着良好的应用前景。但目前很难实现自主起飞，这限制了该类机器人的广泛应用。目前扑翼机器人能源供应有限，连续飞行时间短，在能量接近耗尽时，若能够自主降落进行能量补给，然后自主起飞继续执行任务，将大大提高该类机器人的实用价值。.本项目开展了弹跳与扑翼多模式运动及扑翼机器人自主起飞研究，对弹跳机器人空中姿态控制、弹跳性能主动调节、障碍物检测和克服、多弹跳机器人节点的定位和回收进行了研究。在此基础上，对鸟类的起飞过程中弹跳与扑翼协作运动进行了研究，对扑翼与弹跳运动机理进行了研究，对扑翼飞行器姿态控制进行了研究，还进行了扑翼与弹跳多模式运动机器人机构设计、样机制作、控制方法设计和实验研究，以解决扑翼飞行器自主起飞的难题。.提出基于双摆臂控制的空中姿态控制机构及方法，能调节机器人落地姿态，有效提高机器人落地的安全性；提出基于结构参数主动调节的弹跳运动性能主动控制方法，有效提高了其面向不同障碍物状况下应用的实用性；设计了单个红外传感器结合机器人运动协作的障碍物高度和距离主动检测系统；提出基于单个搭载机器人及多个微型弹跳运动机器人传感器节点协作对其进行定位的方法，以及基于RGB-D传感器和运动协作方法的弹跳机器人位姿检测和回收方法；提出扑翼机器人运动性能检测系统设计方法；在弹跳与扑翼多模式运动功能的初步研究基础上，提出基于弹跳辅助的扑翼飞行器自主起飞设计方案；提出基于折叠弹跳腿与扑翼结合的耦合机构设计方法；提出基于轮式、弹跳、扑翼结合的机构及多模式运动机器人设计方法；提出基于双边遥操作控制的机器人半自主控制方法和基于CPG模型的机器人自主控制方法。通过以上几个方面的研究，解决了一些扑翼与弹跳多模式机器人的关键技术，加快了其实用化进程。