带翼无人驾驶飞行器（UAV）因其出色的单位质量续航能力，特别适用于远距离任务，如送货、测绘和搜索救援。然而，与有翼飞行动物相比，它们在复杂结构上的着陆或栖息能力受限，难以执行检查、操作、监控或电池充电等任务。这一局限性推动了控制和机械系统的发展以实现栖息功能。
带翼无人机的栖息问题通常通过复杂的控制策略或精巧的附加装置来解决。受鸟类栖息行为的启发，研究主要集中于俯仰机动和失速后控制，以降低着陆速度，并实现如垂直墙壁栖息或电缆悬挂等栖息方式。然而，这些机动需要高精度的传感系统嵌入控制算法，且可能面临潜在的危险飞行条件。
为避免复杂的俯仰机动，已提出采用机械系统作为替代方案。尽管多旋翼飞行器在栖息机械系统方面有丰富的应用，但有翼无人机的可用选择相对较少。
▍提出“上翘机头”，实现稳定栖息
前不久，来自瑞士洛桑联邦理工学院智能系统实验室、生物机器人实验室以及美国纽约州立大学石溪分校Soft Flyers小组的研究人员，受动物和蝙蝠肢体在抓握和栖息树木方面的适应性启发，精心设计了一种两用机翼，这种机翼不仅在空中滑翔时表现出色，还可使有翼机器人能够依靠被动机翼变形，在树木、建筑脚手架、电塔、路灯、电线杆等多种类型的垂直杆上实现紧急降落。
壁虎着陆时头朝下撞向树干，随后全身旋转，以后肢和尾巴触地停止。受壁虎着陆策略启发，研究人员提出了一种新方法，并巧妙地将“上翘机头”设计融入无人机PercHug中。当无人机与杆子发生碰撞时，这一设计使其能够从水平飞行状态被动地重新定向至垂直姿态，从而避免了在接近失速攻角时需要执行复杂的俯仰动作。
随后，无人机可模仿某些飞行动物的行为模式，利用可折叠、预装的分段机翼（在撞击时通过闩锁系统释放）缠绕在垂直杆上进行栖息。其独特的上翘机头设计确保了机器人在与杆子正面碰撞后，能够平稳地从水平飞行状态重新调整为垂直飞行状态，进而用翅膀紧紧抱住杆子，实现稳定的栖息。
相较于部分蝙蝠和鸟类物种所采用的形态适应性以及翅膀、脚和尾巴的使用策略，本解决方案避免了引入增加重量和复杂性的专用栖息脚结构。相反，它巧妙地选择了利用现有无人机元素的双重用途策略，其中就包括使用前肢（即翅膀）紧紧抱住杆子，并保持重心靠近杆子，以最小化后仰效应，确保了栖息的稳定性。
那么，这款机器人的设计具体是如何实现的呢？接下来，和机器人大讲堂一起来深入了解吧！
▍200毫秒内完成着陆？PercHug的工作原理与机器人设计
PercHug无人机能够在极短的时间内（约200毫秒）完成着陆过程。它通过以特定的速度和迎角飞向电线杆，首先利用机头进行初步撞击。撞击产生的能量使无人机开始俯仰旋转并释放预加载的机翼。随后，无人机机身或尾部进行二次撞击，停止旋转，机翼紧贴电线杆，从而将无人机固定到位。
PercHug无人机采用发泡聚丙烯(EPP)柔性轻质泡沫、3D打印的坚韧聚乳酸(PLA)和纤维增强碳棒三种核心材料制成。其机身、上翘的机头、机翼和机尾的外壳均通过热丝泡沫切割工具精确制作，并在最后阶段进行精细组装。其设计实现了飞行和坠落栖息的双重功能，无需专用的栖息爪或脚等额外的硬件。
无人机的上翘机头设计，使其能够被动地从水平飞行调整到栖息所需的垂直配置。机头尖端的冲击力会产生绕重心的力矩，从而产生旋转。除了机头形状外，研究团队还研究了使用柔性扁平碳棒结合机头延伸来调整性能。
同时，飞行器配备可折叠机翼，有三个铰接段。一个段连接到机身，其他两个段可以向腹侧弯曲以缠绕在杆子上。扭转弹簧放置在段之间的接口处并在飞行过程中预加载。受到撞击时，弹簧会松开，使段折叠并压在杆子上。机翼最外侧部分可配备9个可拆卸挂钩，以帮助与粗糙表面接合。张紧线则使机翼在飞行过程中保持张开和笔直。
此外，无人机还配备了锁定机构，该机构在飞行过程中使电线保持张紧状态，并在受到撞击时被动释放。研究人员可以通过调整壁高来调整释放时间，以实现初次撞击或二次撞击时机翼的释放。这是通过备用双稳态触发器实现的，其操作方式类似于已知的机制。机身底部的二次撞击会被动触发释放机翼。
▍分离重新定向与抱杆问题，分析机头选择与机翼设计影响
为了深入研究，研究团队将重新定向和抱杆问题分离，独立探讨了机头选择和机翼设计的影响。研究聚焦上翘机头（涵盖带与不带弹性机头延伸的两种类型）在撞击瞬间重新定向机器人的性能展现。采用柔性机头的核心理念在于探索其能否通过延长相对于重心的撞击力矩臂、缓解机身承受的最大撞击力，并更有效地重新定向力矢量，从而实现向上滑动并稳固附着于表面，进而强化重新定向的能力。
对于成功与失败的标准，研究团队进行了明确：若无人机能达到垂直状态并与墙壁实现二次接触，则判定为重新定位成功；反之，若无人机在初次撞击后从表面反弹且未发生二次撞击，则视为失败。
成功重新定位的案例跟踪数据如下图b所示，其中初次撞击阶段（红色突出显示）标志着重新定位的开始，伴随着平移速度的急剧降低和俯仰率的显著上升。重新定位机动的终结则对应于最大俯仰角的点（蓝线标记）。撞击速度Vi和相对撞击角β均是从初次撞击的瞬间进行估算的。值得注意的是，在假设中，墙壁是垂直的，因此β角代表了机器人撞击时的俯仰角度。
研究发现，重新定位成功主要取决于撞击角度而非速度。上图C清晰显示，任何鼻尖类型，若撞击角度低于阈值则失败。标准上翘鼻尖在3至9米每秒速度下，15°以上角度能成功重新定位，匹配同尺寸飞行器巡航速度。增强弹性鼻尖的抗弯刚度D，可在更低角度成功定位，最刚鼻尖最低达8°。在测试鼻尖中，0.2333N·m²抗弯刚度弹性鼻尖表现最优。不同条件下成功率有差异，但重新定位时间对各速度、角度、机头类型一致，平均196±59毫秒。
与成功率不同，主要冲击力Fi与冲击速度Vi之间呈线性比例关系。在3至9米每秒的速度范围内，冲击力峰值介于15至120N之间。预计重量和冲击力之间也存在线性相关性。对于标准上翘机头，主要冲击力随冲击角度减小而略有增加。然而，对于其他机头类型，这种相关性不明显，可能受机头柔韧性影响。尽管与标准上翘机头相比，抗弯刚度为0.233N·m²的弹性机头在较低冲击角度下的成功率提高，但在测试速度范围内，其受到的主要冲击力相似。这种改进可归因于撞击点与重心之间拉长的力臂。
根据简化的重新定向动力学模型，俯仰加速度受刚性鼻尖偏移参数影响，在刚度最大的弹性鼻尖延伸部分尤为显著。此外，在较低俯仰角下，垂直鼻尖偏移对俯仰力矩的贡献更大。因此，增加垂直鼻尖偏移可提高较低撞击角度下的成功率。提供的数据将有助于估计类似尺寸机器人在不同重量下的冲击力，为机身机械设计和结构分析提供参考。
▍开发机翼包裹模型，探究折叠翼尺寸和分段具体影响
折叠翼的尺寸和分段对机器人可栖息的杆直径范围具有决定性影响。为探究最合适的尺寸，研究团队开发了一个机翼包裹模型，并通过杆抱实验对预测的机翼设计进行了验证。该模型适用于无钩机翼静态栖息的情况。
与利用干湿粘附或爪子抓住树面的昆虫不同，大型动物通过互锁方法用前肢环绕树干。类似地，研究团队假设无人机可栖息的最大杆直径对应于180°的机翼包裹角，最小杆直径则对应于防止两个翼尖重叠的尺寸。机翼包裹角由折叠机翼覆盖的杆部分定义，其最大值取决于翼展、节的数量和长度。为了保持机翼的包裹状态，最外层段的法向和切向反作用力必须足够大，以抵消机身和其他段上的力。
该模型考虑了机身和机翼的多种特性，包括翼展、机身宽度、折叠翼段的数量和尺寸、扭转弹簧的刚度，以及EPP和杆材料之间的静摩擦系数。这些因素有助于估计无人机可停泊的直径范围和最大静态有效载荷。适合停泊的杆直径范围主要与翼展成比例，跨度约为翼展的28%到50%。与模型预测一致。
此外，该模型还用于研究抓握力和最大静态有效载荷随杆直径和静摩擦系数的变化。分析显示，净抓握力与杆直径呈正相关，但随着直径的增加，无人机在滑下杆子之前可以支撑的最大重量会减小。静摩擦系数的增加则会导致整体静态栖息性能的改善。
研究团队通过实验验证了所选的机翼设计，结果表明测量值与模型预测值之间存在很强的一致性。实验还表明，假设表面材料保持不变，最大有效载荷会随着直径的减小而增加，突显了增加摩擦系数对有效载荷能力的积极影响。
▍两种配置进行详尽测试，全面评估PercHug重新定位与栖息性能
为了全面评估机器人的重新定位和栖息性能，研究团队从撞击速度、角度、杆子材质和尺寸等多个方面对PercHug进行了实验测试。
在实验中，研究人员精心挑选了静态栖息实验中曾使用的六棵树木，对两种配置的PercHug进行了详尽测试：一种装备了D＝0.233 N·m²的延伸弹性鼻子，该配置以其卓越的重新定向性能著称；另一种则未装备此延伸弹性鼻子。所有动态栖息实验均遵循严格的操作流程，即通过手动方式将机器人推向树木。只有当栖息试验完整经历了滑翔、撞击时的精准重新定位、翅膀的有效卷起以及最终稳固停留在树上这四个关键阶段，方被视为一次成功的试验。
实验结果显示，钩子在显著提升栖息成功率方面扮演了核心角色，尤其在防止机器人在卷翼过程中滑落的问题上，钩子成功地提高了超过三分之一的试验成功率，通过随机与表面接触实现快速制动。
研究团队深入探索了机翼释放的最佳时机，发现相较于二次撞击释放策略，一次撞击即时释放能更有效地确保机器人稳定栖息，后者常因延迟释放导致机器人从树干脱落。实验数据进一步证实了这一结论：成功栖息的案例中，释放机制在撞击发生后仅约25毫秒内迅速激活，紧接着缠绕动作几乎与重定位同时完成，整个栖息过程极为迅速，凸显了同步解锁与释放策略的重要性。
值得注意的是，着陆的精准度对于成功栖息至关重要。机头在撞击目标时若偏离中心线或存在角度误差，均可能导致栖息失败，特别是在低撞击角度下，重定位不足会使机器人反弹。然而，PercHug的尾部设计在垂直定位时犹如“定海神针”，其表现与壁虎尾巴功能的研究结果不谋而合，展现了长尾设计在提升机器人紧急着陆稳定性方面的显著优势。
PercHug在不同速度及撞击角度条件下均展现出了卓越的动态栖息能力，实验数据的高度一致性令人印象深刻。特别地，标准上翘鼻配置以高达73%的成功率显著优于弹性鼻配置（42%），尽管后者在促进重定位方面有所助益，却牺牲了缠绕性能。此外，实验还发现较宽的树木会降低栖息成功率，这一发现与先前的模型预测及静态实验结果相吻合，再次强调了树木直径对动态栖息成功的决定性作用。
这一创新成果不仅为空中机器人技术带来了重大突破，更为其在检查、维护和生物多样性保护等领域的应用开辟了广阔前景。
参考文章
https://www.nature.com/articles/s44172-024-00241-0#Abs1
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