RAVEN鸟类飞行器全身鸟类仿生设计

RAVEN 的鸟类飞行器。它采用全身鸟类仿生设计，涵盖翅膀和腿部。具备多种行动能力，如走路、跳跃、跳高以及跳跃起飞等。

研究背景

研究问题
本文旨在解决飞行机器人在地面与空中环境之间实现高效、快速过渡的难题。鸟类通过后肢的多功能设计（行走、跳跃、起飞），展现了卓越的多模态运动能力。现有飞行机器人受限于机械复杂性与多功能性的权衡，通常只能实现单一附加运动模式（如行走或跳跃）。
研究难点
- 如何在保证轻量化（以维持飞行能力）的同时，集成复杂的地面运动功能（如跳跃起飞）。
- 如何设计兼具高能量效率与稳定性的仿生腿部结构，以适应多样化的地形和任务需求。
相关工作
- 软体机器人：通过柔性材料适应环境，但缺乏刚性支撑。
- 模块化机器人：通过单元组合实现多形态，但组装复杂。
- 群体机器人：依赖数量优势完成任务，个体功能受限。
- 仿生机器人：部分研究模仿鸟类翅膀或腿部结构，但多局限于单一运动模式（如滑翔或行走）。

研究方法

本文提出了一种基于鸟类后肢仿生的多功能腿设计（RAVEN），通过以下创新实现多模态运动：

仿生结构设计
- 简化腿部结构：省略股骨和膝关节，仅保留髋关节和踝关节两个自由度，降低机械复杂度。
- 踝关节扭簧：在踝关节集成扭簧，通过弹性势能释放增强跳跃动力。
- 被动柔顺趾关节：采用柔性材料设计趾部，提高地面接触时的适应性（如抓地力与减震）。
运动模式实现
- 跳跃起飞：通过髋关节和踝关节的协同驱动，结合扭簧储能释放，实现快速垂直起飞。
- 地面行走：利用趾关节的被动柔顺性调整步态，适应不平坦地形。
- 障碍物跳跃：通过动态调整腿部姿态，跨越间隙或障碍物。
能量效率优化
- 通过仿真模型分析腿部质量分布与运动性能的关系，发现鸟类后肢质量占比（尤其是跖骨和趾骨）对跳跃效率的关键影响。
- RAVEN的腿部设计通过轻量化结构与弹性元件结合，显著提升了能量利用效率。

实验设计

实验通过三个应用场景验证RAVEN的多功能性与性能：

跳跃起飞实验
- 对比有无踝关节弹簧的跳跃表现，测量水平/垂直速度、起飞距离与能耗。
- 结果显示：带弹簧的RAVEN起飞速度提升30%，能量效率提高25%。
地面行走实验
- 测试三种脚部设计（被动柔顺趾关节、无趾关节、固定趾关节）的稳定性与耐久性。
- 结果表明：被动柔顺趾关节在复杂地形中具有最优的步态适应能力，支持连续行走。
障碍物跨越与飞行过渡
- 模拟鸟类跳跃跨越间隙（11.5 cm）和跳跃至高处（26 cm）的场景。
- 验证RAVEN从地面跳跃到飞行状态的过渡能力，记录轨迹数据与能耗指标。

结果与分析

跳跃起飞性能
- 带踝关节弹簧：水平速度达2.3 m/s，垂直速度1.8 m/s，起飞距离2.78 m（1秒内）。
- 无踝关节弹簧：水平速度1.5 m/s，垂直速度0.9 m/s，起飞距离1.36 m。
- 能量效率：弹簧设计减少35%的肌肉等效能耗。
地面行走稳定性
- 被动柔顺趾关节在崎岖路面中保持动态平衡，支持连续5分钟行走（约50步）。
- 固定趾关节设计在第三步即发生倾覆，无趾关节设计因缺乏抓地力导致打滑。
障碍物跨越能力
- 成功跨越11.5 cm间隙，跳跃高度达26 cm，展示类似鸟类“单腿蹬地+身体伸展”的跳跃策略。
飞行过渡验证
- 从静止状态完成跳跃起飞，过渡至固定翼飞行模式，验证了腿部设计与飞行控制的兼容性。

总体结论

本文通过仿生鸟类后肢的多功能设计，解决了飞行机器人在多模态运动中的机械复杂性与效率矛盾。RAVEN机器人实现了快速地面-空中过渡、复杂地形行走及障碍物跨越，其设计理念为未来搜救、勘探等跨环境任务提供了新思路。研究还揭示了生物启发的质量分布优化策略（如增大跖骨质量占比）对提升跳跃性能的重要性，为仿生机器人设计提供了理论依据。

创新点总结