[논문 리뷰] Bee$^+$: A 95-mg Four-Winged Insect-Scale Flying Robot Driven by Twinned Unimorph Actuators

Xiufeng Yang, Ying Chen외 3명|arXiv (Cornell University)|2019. 05. 06.

Biomimetic flight and propulsion mechanisms참고 문헌 24인용 수 4

한 줄 요약

Bee+는 두 쌍의 이중 유모프 액추에이터를 탑재한 95mg의 사각형 날개를 가진 마이크로로봇으로, 독립적인 날개 진동을 가능하게 하여 이량 날개형 대비 향상된 제어성과 안정성을 확보한다. 이 설계는 4축 항공기 유사 제어기를 통해 안정적인 수직 항공과 자세 제어를 실현하였으며, 이는 이전의 곤충 크기의 비행체에 비해 요르 제어 안정성 향상과 액추에이터 복잡도 감소를 보여준다.

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.

연구 동기 및 목표

• 기존의 이량 날개형 설계보다 더 높은 제어성과 안정성을 확보한 곤충 크기의 비행 마이크로로봇 개발
• 이량 날개형 마이크로로봇에서 흔히 발생하는 요르 불안정성을 해결하기 위해 액추에이터 수와 날개 수를 증가시킴
• 단일체 구조의 이중 유모프 액추에이터를 통해 제조 복잡도를 줄이면서도 높은 성능 유지
• 95mg 비행 마이크로로봇에서 열린 루프 반응과 닫힌 루프 제어를 통한 자세 및 위치 제어를 구현
• 더 높은 제어 능력과 낮은 날개 하중을 확보하기 위해 사각형 날개 구동 방식의 실현 가능성 검증

제안 방법

• 로봇은 두 쌍의 이중 유모프 액추에이터를 단일체로 제작하여 네 개의 날개를 독립적으로 제어할 수 있도록 설계됨
• 각 액추에이터 쌍은 두 날개를 동기화된 진동 방식으로 구동하여 제어 입력 수를 3개에서 4개로 증가시킴
• 4축 항공기 제어 원리를 기반으로 한 제어 전략을 적용하여 자세 제어기와 위치 제어기를 조합함
• 차별적인 진동 진폭과 위상 조절을 통해 추진력 방향을 제어하여 원하는 순수 힘과 토크를 생성함
• 요르 제어는 프로토타입에 가장 효과적인 것으로 평가된 ISP(인터스위프 포지션) 방법을 사용함
• 역학적 분석과 시뮬레이션을 통해 추진력, 감쇠, 조종 토크 특성을 추정함

실험 결과

연구 질문

• RQ1 독립적인 액추에이터를 갖춘 사각형 날개 마이크로로봇이 이량 날개형 대비 더 높은 제어성을 확보할 수 있는가?
• RQ2 액추에이터 수를 두 개에서 네 개로 늘였을 때 요르 안정성과 제어 능력은 어떻게 변화하는가?
• RQ3 이중 유모프 액추에이터는 곤충 크기에서 소형, 경량, 제조가 용이한 진동 기구를 가능하게 할 수 있는가?
• RQ4 어떤 제어 전략이 95mg 비행 마이크로로봇에서 안정적인 수직 항공과 자세 조절을 가능하게 하는가?
• RQ5 날개 하중과 진동 방식은 열린 루프 반응과 비행 안정성에 어떤 영향을 미치는가?

주요 결과

• Bee+는 롤과 피치 진동이 ±10° 이내로 제한되어 효과적인 자세 제어가 이루어졌음을 확인함
• 로봇은 성공적으로 이륙하여 상당 기간 동안 정상적인 자세를 유지함으로써 충분한 양력을 생성함을 입증함
• 위치 제어 실험 결과, 첫 1초 동안 기준 신호를 약간의 오차 범위 내에서 추적함. 이후 액추에이터 포화와 제한된 적분 작용으로 오차가 증가함
• ISP 방법은 평가된 세 가지 방법 중에서 가장 효과적인 요르 제어 전략으로 확인됨
• 이중 유모프 액추에이터의 사용은 제조 복잡도를 감소시키고, 경량, 소형 설계를 가능하게 하였으며, 액추에이터 질량이 28 mg에 불과함
• 시뮬레이션과 분석 결과, 사각형 날개 구조는 자연스럽게 회전 방해를 감쇠시켜 이량 날개형 대비 요르 안정성을 향상시킴을 확인함