[論文レビュー] Bee$^+$: A 95-mg Four-Winged Insect-Scale Flying Robot Driven by Twinned Unimorph Actuators

Xiufeng Yang, Ying Chen+3 more|arXiv (Cornell University)|May 6, 2019

Biomimetic flight and propulsion mechanisms参考文献 24被引用数 4

ひとこと要約

Bee+ は、2組の対になったユニモーフアクチュエータを備えた 95 mg の4翼型マイクロロボットであり、独立した翼の羽ばたきを可能にし、2翼型の対比物よりも優れた制御性を実現している。設計は、クアッドコプター型の制御戦略を採用することで安定した浮遊と姿勢制御を達成しており、従来の昆虫スケールの飛行ロボットと比較してヨー安定性が向上し、駆動の複雑さが低減されている。

ABSTRACT

We introduce Bee$^+$, a 95-mg four-winged microrobot with improved controllability and open-loop-response characteristics with respect to those exhibited by state-of-the-art two-winged microrobots with the same size and similar weight (i.e., the 75-mg Harvard RoboBee). The key innovation that made possible the development of Bee$^+$ is the introduction of an extremely light (28-mg) pair of twinned unimorph actuators, which enabled the design of a new microrobotic mechanism that flaps four wings independently. A first main advantage of the proposed design, compared to those of two-winged flyers, is that by increasing the number of actuators from two to four, the number of direct control inputs increases from three to four when simple sinusoidal excitations are employed. A second advantage of Bee$^+$ is that its four-wing configuration and flapping mode naturally damp the rotational disturbances that commonly affect the yaw degree of freedom of two-winged microrobots. In addition, the proposed design greatly reduces the complexity of the associated fabrication process compared to those of other microrobots, as the unimorph actuators are fairly easy to build. Lastly, we hypothesize that given the relatively low wing-loading affecting their flapping mechanisms, the life expectancy of Bee$^+$s must be considerably higher than those of the two-winged counterparts. The functionality and basic capabilities of the robot are demonstrated through a set of simple control experiments.

研究の動機と目的

• 既存の2翼型設計よりもより制御性が高く安定した昆虫スケールの飛行マイクロロボットの開発。
• 2翼型マイクロロボットに共通するヨー不安定性を解消するため、アクチュエータ数と翼数を増加。
• 一体型の対になったユニモーフアクチュエータを用いることで、製造の複雑さを低減しながら高い性能を維持。
• 95 mg の飛行ロボットにおけるアイトレイルおよび位置のオープンループ応答とクローズドループ制御の実証。
• 4翼型の羽ばたき翼構造が制御能力を向上させ、翼荷重を低減するという可能性の妥当性の検証。

提案手法

• ロボットは、一体型に加工された2組の対になったユニモーフアクチュエータを用い、4枚の翼を独立して制御可能にしている。
• 各アクチュエータペアは、2枚の翼を同期した羽ばたきモードで駆動し、制御入力の数を3から4に増加させることで制御能力を向上させている。
• クアッドコプター制御原理に基づいた制御戦略が採用され、姿勢制御と位置制御の組み合わせが用いられている。
• 推力の方向は、差動的な羽ばたき振幅と位相差を制御することで、所望の合成力とモーメントを生成する。
• ヨー制御は、プロトタイプにおいて最も効果的であったと判明したISP（インターフリュー・フェーズ）法を用いて達成している。
• 動的解析とシミュレーションを用いて、推力、減衰、操舵トルク特性を推定している。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 独立した駆動を備えた4翼型マイクロロボットは、2翼型の対比物よりも優れた制御性を達成できるか？
• RQ2 アクチュエータ数を2から4に増加させることで、ヨー安定性と制御能力にどのような影響があるか？
• RQ3 対になったユニモーフアクチュエータは、昆虫スケールにおいてコンパクトで低質量かつ容易に製造可能な羽ばたき機構を実現できるか？
• RQ4 どのような制御戦略が95 mg の飛行マイクロロボットにおける安定した浮遊と姿勢制御を可能にするか？
• RQ5 翼荷重と羽ばたきモードは、ロボットのオープンループ応答と飛行安定性にどのように影響するか？

主な発見

• Bee+ は、ロールおよびピッチの振動を±10°以内に制限した安定した浮遊を達成しており、効果的な姿勢制御が実現されている。
• ロボットは正常に離陸し、顕著な期間にわたり真っすぐな姿勢を維持した。これは、十分な揚力が発生していることを示している。
• 位置制御実験では、最初の1秒間で参考信号の近似追従が確認されたが、アクチュエータの飽和と積分作用の限界により、誤差が増大した。
• ISP法は、評価した3つの方法の中で最も効果的なヨー制御戦略であった。
• 対になったユニモーフアクチュエータの使用により、製造の複雑さが低減され、28 mg のアクチュエータ質量を実現した軽量でコンパクトな設計が可能になった。
• シミュレーションと解析の結果、4翼構造は自然に回転方向の擾乱を減衰させ、2翼型設計よりもヨー安定性が向上することが確認された。