RAVEN โดรนนกที่เดิน กระโดด และบินได้

• แชร์
• ทวีต
• ส่งไลน์

RAVEN โดรนที่ออกแบบมาให้มีรูปร่างหน้าตาเหมือนนก และสามารถเดิน กระโดด และบินได้เหมือนนก  ซึ่งจะทำให้บินได้ไกล และประหยัดพลังงานกว่าโดรนแบบทั่วไป

โดรน RAVEN คืออะไร

ห้องปฏิบัติการระบบอัจฉริยะซึ่งนำโดย Dario Floreano ในคณะวิศวกรรมศาสตร์ของ EPFL (École polytechnique fédérale de Lausanne) ของฝรั่งเศส ได้ออกแบบโดรนที่มีชื่อว่า Robotic Avian-inspired Vehicle for multiple Environments หรือ RAVEN ซึ่งได้รับแรงบันดาลใจจากนก

RAVEN แสดงให้เห็นถึงความก้าวหน้าที่สำคัญในการเลียนแบบการเคลื่อนไหวของนก แม้ว่าขากลของโดรนจะไม่มีความซับซ้อนเท่ากับขาจริงของนก แต่การนำหลักการทางชีววิทยาที่สำคัญมาใช้ เช่น สปริงที่กักเก็บพลังงานเหมือนเอ็นและนิ้วเท้าที่ยืดหยุ่นได้ ทำให้สามารถเคลื่อนไหวได้เหมือนนกจริงๆ

“ในตอนแรก นกเป็นแรงบันดาลใจในการสร้างเครื่องบิน และพี่น้องตระกูลไรท์ทำให้ความฝันนี้เป็นจริง แต่แม้กระทั่งเครื่องบินในปัจจุบันก็ยังห่างไกลจากความสามารถของนกอยู่มาก” Won Dong Shin นักศึกษาปริญญาเอกสาขาวิศวกรรมการบินและอวกาศกล่าว “นกสามารถเปลี่ยนจากการเดินเป็นวิ่งขึ้นฟ้าและกลับมาได้อีกครั้งโดยไม่ต้องใช้รันเวย์หรือเครื่องยิง แพลตฟอร์มทางวิศวกรรมสำหรับการเคลื่อนไหวประเภทนี้ยังคงขาดหายไปในหุ่นยนต์”

การออกแบบของ RAVEN มุ่งเป้าไปที่การเพิ่มความหลากหลายของการเดินในขณะที่ลดมวลให้เหลือน้อยที่สุด โดยได้รับแรงบันดาลใจจากสัดส่วนของขาของนก Won Dong Shin จึงออกแบบขาของนกที่ปรับแต่งได้และใช้งานได้หลากหลายสำหรับโดรนปีกตรึง เขาใช้การผสมผสานของแบบจำลองทางคณิตศาสตร์ การจำลองด้วยคอมพิวเตอร์ และการทดลองซ้ำเพื่อให้ได้สมดุลที่เหมาะสมที่สุดระหว่างความซับซ้อนของขาและน้ำหนักโดรนโดยรวม 

“การแปลงขาและเท้าของนกให้กลายเป็นระบบหุ่นยนต์น้ำหนักเบาทำให้เราต้องเผชิญกับปัญหาในการออกแบบ การบูรณาการ และการควบคุมที่นกได้แก้ไขมาอย่างชาญฉลาดตลอดวิวัฒนาการ” Prof. Dario Floreano หัวหน้าห้องปฏิบัติการระบบอัจฉริยะกล่าว “สิ่งนี้ทำให้เราไม่เพียงแต่คิดค้นโดรนปีกที่ทำงานได้หลายโหมดมากที่สุดในปัจจุบันเท่านั้น แต่ยังทำให้เราเข้าใจถึงประสิทธิภาพด้านพลังงานของการกระโดดเพื่อบินขึ้นของทั้งนกและโดรนอีกด้วย” 

ความสามารถของ RAVEN

RAVEN มีขนาดเท่ากับอีกา โดยมีปีกกว้าง 100 ซม. และลำตัวยาว 50 ซม.น้ำหนัก 0.62 กก.  เดินได้ 1 เมตรในเวลาไม่ถึง 4 วินาที กระโดดข้ามช่องว่าง 12 ซม. และกระโดดข้ามสิ่งกีดขวางสูง 26 ซม. ได้ ในระหว่างการบินขึ้น ขาทั้งสองข้างจะกระโดด Take off พาเครื่องขึ้นไปสูงเกือบ 0.5 เมตรด้วยความเร็วไปข้างหน้า 2.2 ม./วินาที

ข้อต่อนิ้วเท้าแบบยืดหยุ่นช่วยให้ RAVEN สามารถเคลื่อนที่ได้อย่างคล่องตัวโดยไม่มีน้ำหนักมากเกินไป ซึ่งแตกต่างจากหุ่นยนต์สองขาแบบเดิม ที่ใช้ตัวกระตุ้นเพื่อควบคุมด้วยเท้าอย่างแม่นยำ การออกแบบของ RAVEN ช่วยลดน้ำหนักซึ่งเป็นปัจจัยสำคัญในการบิน ขาของ RAVEN หนัก 230 กรัม นับเป็นประมาณ 1 ใน 3 ของนํ้าหนักตัวทั้งหมด โดยประกอบด้วย เท้า นิ้วเท้าตัวกระตุ้นและส่วนประกอบสำคัญสำหรับการใช้งานหลายอย่าง

ภาพแสดงให้เห็นถึงการออกแบบและความสามารถของ RAVEN ที่ได้รับแรงบันดาลใจจากนก รายละเอียดภายในภาพอธิบายได้ดังนี้

(a) RAVEN มีขา 1 คู่ ปีกที่ติดอยู่กับที่ 1 คู่ และหางรูปตัววี RAVEN สามารถเบี่ยงปีกเอเลอรอนและหางรูปตัววีเพื่อควบคุมการบิน มาตราส่วน 10 ซม.

(b) เช่นเดียวกับนก RAVEN สามารถเคลื่อนที่ได้ทั้งบนบกและบนอากาศ และขึ้นบินจากพื้นสู่อากาศได้

(c) เมื่อไม่ได้บิน ขาสองขาจะทำให้ RAVEN จะทำหน้าที่เดินบนพื้น กระโดดเพื่อข้ามช่องว่าง กระโดดข้ามสิ่งกีดขวาง และกระโดดเพื่อบินขึ้น

(d) ข้อต่อสะโพกและข้อเท้าของกลไกขาขับเคลื่อนด้วยมอเตอร์ไฟฟ้าสองตัว และข้อต่อนิ้วเท้าของเท้ามีความยืดหยุ่นแบบพาสซีฟด้วยสปริงบิด

(e) ข้อเท้ามีสปริงบิดที่ฝังอยู่ ซึ่งช่วยในการเก็บและปล่อยพลังงาน สามารถยืดหยุ่นได้ในระหว่างการงอและเหยียดข้อเท้าตามลำดับ

การเคลื่อนไหวอย่างมีประสิทธิภาพ

นักวิจัยได้ศึกษาวิจัยว่า การเพิ่มขาที่ซับซ้อนให้กับ RAVEN นั้นมีความสมเหตุสมผลหรือไม่ และพบว่ามันมีประโยชน์อย่างมาก ขาช่วยให้สามารถเดิน กระโดดไปข้างหน้า และกระโดดขึ้นที่สูงได้ โดยการกระโดดนั้นช่วยประหยัดพลังงานมากกว่าการบินขึ้นแบบเดิมถึง 10 เท่า

โดรนแบบเดิมจะบินขึ้นโดยไม่กระโดด โดยโดรนจะเอียงในมุมที่เหมาะสม ซึ่งส่งผลให้การบินอาจไม่เสถียรและไม่มีประสิทธิภาพ อย่างไรก็ตาม RAVEN ใช้การกระโดดขึ้นเพื่อบินขึ้น ช่วยให้บินขึ้นได้อย่างราบรื่นขึ้น เนื่องจากแปลงพลังงานขับเคลื่อนเป็นพลังงานจลน์ และพลังงานศักย์ได้อย่างมีประสิทธิภาพ

รายละเอียดภายในภาพอธิบายได้ดังนี้

(a) แสดงการทดลองขึ้นบินของ

(b) RAVEN สามารถกระโดดขึ้นบินได้ และสามารถรักษาระดับการบินให้คงที่ได้

(c) ความเร็ว

(d) พลังงานที่ป้อนเข้า

โดยแบ่งกลยุทธ์ขึ้นบินออกเป็น 4 แบบ ได้แก่ การกระโดดขึ้นบิน (สีน้ำเงิน) การกระโดดอย่างเดียว (สีแดง) การขึ้นบินขณะตก (สีเหลือง) และการขึ้นบินขณะยืน (สีเขียว) เส้นทึบและส่วนที่แรเงาแสดงถึงค่าเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐานตามลำดับจากการทดลอง 5 ครั้งของกลยุทธ์ขึ้นบินแต่ละแบบ เส้นประแนวตั้งแสดงเวลาขึ้นบิน การขึ้นบินขณะกระโดด การขึ้นบินขณะตก การออกบินขณะยืนจะแสดงในช่วงเวลา 1 วินาที และการกระโดดจะสิ้นสุดที่ 0.62 วินาที เนื่องจากหุ่นยนต์กระแทกพื้น

(e) ความเร่งเฉลี่ยของหุ่นยนต์ในช่วงเวลาเร่งความเร็วก่อนขึ้นบิน (เส้นประแนวตั้งใน b–d) ได้จากการหาอนุพันธ์ของความเร็วใน (c)

(f) พลังงานทั้งหมดที่ส่งออกคือผลรวมของพลังงานจลน์และพลังงานศักย์ในขณะขึ้นบิน

(g) ประสิทธิภาพคืออัตราส่วนระหว่างพลังงานที่ส่งออกและพลังงานที่ป้อนเข้าในขณะขึ้นบิน แท่งใน (e–g) คือค่าเฉลี่ยและค่าเบี่ยงเบนมาตรฐาน (n = 5 ครั้งทดลอง)

ภาพแสดงการเคลื่อนที่บนบกของ RAVEN รายละเอียดภายในภาพอธิบายได้ดังนี้

(a) RAVEN สามารถเดินได้อย่างต่อเนื่องด้วยความเร็ว 0.23 ม./วินาที

(b) กระโดดข้ามช่องว่าง 11.5 ซม.

(c) กระโดดข้ามสิ่งกีดขวางแนวตั้ง 26 ซม.

(d) ความสูง

(e) ความเร็วแนวนอน

(f) พลังงานที่ป้อนเข้า

(g) Froude Number หรือ อัตราส่วนของแรงเนื่องจากความเฉื่อยกับ แรงเนื่องจากความโน้มถ่วงของโลก

(h) COT ของหุ่นยนต์ทางอากาศแบบมีขาและหลายโหมดที่เลือก

(g,h) ความสามารถเคลื่อนที่ทั้งบนบกและบนอากาศจะแสดงเป็นสีน้ำเงิน และความที่ทำงานบนพื้นดินเท่านั้นจะเน้นเป็นสีแดง, เครื่องหมายดาว สามเหลี่ยมสีเหลือง และสีเขียวคือจำนวนนกที่เดินและวิ่งตามลำดับ เครื่องหมายที่เติมสีใน (h) ระบุว่าใช้พลังงานกระตุ้นในการคำนวณ COT เส้นทึบสีเหลืองและเส้นประใน (h) คือแนวโน้ม COT สุทธิของสัตว์ที่เดินและวิ่งตามลำดับ เส้นประประสีเหลืองคือ COT ของสัตว์โดยทั่วไป เส้นประประสีเขียวคือแนวโน้ม COT สุทธิของนกที่วิ่งบนพื้น

การประยุกต์ใช้ RAVEN

นอกจากจะอธิบายถึงต้นทุนและประโยชน์ของขาอันทรงพลังของนกแล้ว ผลลัพธ์ที่ได้ยังช่วยให้การออกแบบโดรนน้ำหนักเบาที่มีปีกสามารถเคลื่อนที่บนพื้นที่ขรุขระและบินขึ้นจากสถานที่จำกัดโดยไม่ต้องมีมนุษย์เข้ามาช่วย ความสามารถเหล่านี้ทำให้สามารถใช้โดรนในการตรวจสอบ บรรเทาภัยพิบัติ และส่งของในพื้นที่จำกัดได้ ทีมงาน EPFL กำลังดำเนินการปรับปรุงการออกแบบ และควบคุมขาเพื่อให้ลงจอดได้ในสภาพแวดล้อมที่หลากหลาย

อ้างอิง และ cover actu.epfl.ch

อ่านบทความและข่าวอื่นๆเพิ่มเติมได้ที่ it24hrs.com

RAVEN โดรนนกที่เดิน กระโดด และ บินได้

อย่าลืมกดติดตามอัพเดตข่าวสาร ทิปเทคนิคดีๆกันนะคะ Please follow us

Youtube it24hrs
Twitter it24hrs
Tiktok it24hrs
facebook it24hrs