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全球最轻飞行机器人靠打印机技术实现飞行科技动态行业资讯资讯-【新闻】

发布时间:2021-04-05 19:34:32 阅读: 来源:消防电热带厂家

与本田机器人“ASIMO”、丰田的燃料电池概念车并驾齐驱,让孩子们颇感兴趣的是精工爱普生的“全球最轻微型飞行机器人μFR-Ⅱ”。

小得能放到手掌上的机器人轻巧地从现场设置的桌子上起飞后,能在3m左右的高度盘旋飞行。在现场设置的投影机上投出了安装在机器人上的CMOS摄像头拍摄到的图像。尽管仅仅飞行了1分钟左右,但却让孩子们看得如痴如醉。

颠覆常理的重量

μFR-Ⅱ的基本构造和直升机一样。机身上部有两个水平旋翼,构造相当简洁,一个是用来使机体上浮的旋翼,另一个是避免机体转圈的反转旋翼。水平移动则通过移动机体的重心完成。

猛一看像是遥控直升机的μFR-Ⅱ之所以被精工称为“飞行机器人”是因为没有遥控人员也可以自动飞行。

除了通过检测机体的倾斜自动保持稳定状态的功能外,μFR-Ⅱ还具有与管制中心相互通信,确定飞行位置的功能。利用这些功能,就能一边自行修正飞行轨迹,一边飞往目的地。

对于微型飞行机器人蕴含的可能性,精工爱普生开发规划知识财产推进部宫泽修科长是这样说的,“可以在汽车难以到达的高处和狭小位置用于调查和监视活动。如果放飞多部机器人,还能迅速地在事故现场进行信息收集”。

飞行机器人中所采用的打印机技术

μFR-Ⅱ又小又轻。由于旋翼也是重量很轻的硬化发泡聚苯已烯制成的,因此即使碰到人也不用担心受伤。“双足行走机器在家中移动非常不易。而在空中飞行的机器人则根本不用顾忌地板上的障碍物。将来在家庭和办公室一定会见到它们活跃的身影”(宫泽)。

今后的用途开发暂且不提,μFR-Ⅱ的最大意义在于颠覆了机械工程学中的常理。使用马达和电池的飞行机器人很难做小。而此次还配备了摄像头,100g左右的重量被认为是极限。然而μFR-Ⅱ总重量才有12.3g。

μFR-Ⅱ上随处可见用于手表、喷墨打印机和数码相机等现有产品的技术。由于马达采用了与喷墨打印机通用的技术,因此用“打印机技术实现飞行”这句话来形容,也绝不过分。

超小型机器人和钟表一样

精工爱普生进行“机器人”的开发始于14年前的1990年。在应用钟表技术创造其他商品的研究主题下,开始开发微型机器人。“当时的想法非常单纯。我们认为只要将表针换成齿轮并驱动它,就能制造出活动机器人”(宫泽科长)。

93年精工爱普生完成了被载入《吉尼斯世界纪录》的小型自律行走机器人“Monsieur”。这部体积仅1立方厘米的机器人配备了光线传感器,能够朝着光源前后左右灵巧地移动。不过,驱动表针的电磁马达(Electromagnetic Motor)连越过纸片的功率(扭矩)都没有。因此,这就成了新的研究课题。

电磁马达尺寸越小也就越没功率。这是因为马达尺寸越小,线圈的N极与S极就会接近,从而相互干涉,使磁力减弱。其他驱动装置中最有可能采用的是使用压电元件的“超声波马达”。

压电元件为受到压力后发生变形和振动的陶瓷元件。具有能够根据电荷量调整压电元件运动量的特性。另外,即使将元件做得很小,也不会像电磁马达那样功率明显下降。

爱普生内部曾有采用压电元件的产品。最具代表性的商品是喷墨打印机。压电式打印机的打印头通过使压电元件发生振动、挤出墨滴。爱普生84年开始在打印机上实际应用这种元件。

目前市场销售的打印机打印头,约2皮升的墨滴每秒可喷出1亿滴以上。将微小墨滴精确喷出并使之吸附的技术具有很广的应用范围。

比如,目前正在研究通过使用纳米级金属粒子来代替墨水,“印刷”半导体电路的方法。另外,通过使用有机材料,制造有机EL(电子发光)显示器发光层的方法也在开发之中。

打印机催生新型马达

最新开发的超声波马达就利用了具有上述性能的压电元件的振动力。

超声波马达有多种方式。爱普生的超声波马达采用了加上电压后压电元件左右扭动的方式。其结构就像用手转动地球仪那样,振动元件好比是“手”,由它来转动马达的轴。

压电元件的尺寸为纵长3mm,宽7mm,厚1mm。宫泽科长表示,“机器人上粘贴了多枚压电元件。能够使这些元件完全同步工作,并且不剥落的制造技术是在打印机中培育出来的”。

马达的总重量为2.9g。作为表示单位重量具有多大功率的指标,功率重量比为1W/g。与同等重量的超小型电磁马达相比,具有15倍以上的力,能够浮起最大17g的机体。

体积减小、扭矩(即功率)不下降的超声波马达具有很多用途。其他公司已经将其用于相机的自动聚焦功能中。宫泽科长表示“目前使用小型电磁马达的设备都可以使用”。由于超声波马达不会像电磁马达那样产生磁场,因此还有望用于需要避免因磁场而发生动作失误的医疗设备。

在μFR-Ⅱ中,与超声波马达同等重要的另一个关键元件是最新开发的陀螺传感器。陀螺传感器是配备于车载导航仪等设备中、用来掌握加速度和方向的元件。目前已经被用于摄像机和数码相机的抖动补偿功能中。μFR-Ⅱ的陀螺传感器所起的作用是通过检测机体的倾斜来维持稳定状态。

陀螺传感器中使用了手表中的石英振荡器。施加电压后,可连续稳定振动的石英振荡器一旦受到外力冲击,振动就会产生紊乱。传感器则根据这种振动的变化,获取机体的方向和加速度。

大幅缩小了传感器尺寸

将石英振荡器和用来分析其信号变化的IC嵌入小盒子里的“微封装技术”据称应用了钟表的制造技术。结果“嵌入盒子里的陀螺传感器的整体尺寸为纵长5mm,宽3mm,厚1.3mm,与具有同等性能的老式传感器相比,尺寸缩小到了1/10。”(石英元件业务部的小平分分健也)

爱普生计划12月开始量产这种陀螺传感器,所设想的用途包括手机上配备的导航系统以及手机相机的抖动补偿等。

如上所述,微型机器人是利用打印机和钟表技术实现腾飞的。“下一个目标是实现和蜻蜓一样的机体重量(约3g)。另外,不仅是直升机式的构造,目前还在研究像昆虫那样能够挥动翅膀来稳定地飞行的构造。”(宫泽科长)

再现昆虫的动作,就要求进一步减轻马达重量、提高重量功率比。如若考虑到实用性,还有一个课题就是节省能量以延长飞行时间。

尽管每一项课题的难度都非常大,不过这些都已经成为爱普生的中期技术开发目标。随着飞行机器人性能的提高,打印机、数码相机和微封装技术也会随之不断发展。

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