Get Adobe Flash player

A hajtástechnika új irányzata a mozgások bionikus megvalósítása, amely az élővilág mozgásformáihoz hasonló, egészen új alkalmazásokat tesz lehetővé.
A SmartBird a madarak repülését utánozza, a BionicOpter a szitakötő repülési elve alapján működik. Azért képesek a távirányított szabad repülésre, mert különlegesen energiahatékonyak. A távirányítóba épített vezérlőegység interaktív rádiókapcsolatban van a modellel. A folyamatos monitorozás lehetővé teszi a hajtóműveknek és a torziós mozgásoknak a repülési fázisokhoz szükséges különböző koordinációját. Az optimalizált működéssel az áramforrás kímélése mellett a lehető leghosszabb repülési idő érhető el.

Realization of bionic movements is a new trend of drive engineering. These forms of movements come from the nature and open up entirely new approaches for industrial practice. The newly developed SmartBird and BionicOpter copies the moving methods of the “original” birds and dragonflies. Both experimental models are extremely energy-efficient so they can perform a real 3D-flight in the air controlled by an interactive remote controller or even a Smartphone. Continuous monitoring allows the coordination of the drives and torsion movements in various flight phases. The optimized operation saves energy and results the possible longest flight time with the rechargeable batteries.

 

Folyóiratunk lapjain korábban már bemutattunk néhány olyan bionikus szerkezetet, amelyek eleinte talán játékszernek tűnhetnek, de valójában mind különböző tanulmányok egy-egy működési elv megvalósításához és ipari felhasználáshoz való fejlesztéséhez. Most két újabb, az élővilág mozgásformáitól ellesett, illetve azokhoz hasonló elvek alapján működő, megvalósított ötletet mutatunk be. Mindkettőre jellemző az optimalizált hajtástechnika, a magas szintű funkció-integráció, a folyamatos állapotfelügyelet és a különlegesen hatékony anyag- és energiafelhasználás.

SmartBird

Az emberek évezredek óta figyelik a madarak röptét, arról álmodozva, hogy egy napon ők is a levegőbe emelkedhetnek. Számos repüléssel foglalkozó mítosz és legenda után végül a repülés a léggömbök, léghajók segítségével, majd a vitorlázó és motoros repülés létrejöttével lehetségessé vált. A madarakhoz hasonló módon mozgó, a szárnyak csapkodó mozgatásával repülő szerkezetek azonban a legutóbbi időkig csak elméletben léteztek, mivel a megépített bonyolult mechanizmusok a felemelkedéshez túlságosan nehéznek bizonyultak.

Leonardo álmának megvalósítása felé tesz jelentős lépéseket – vagy stílszerűen inkább szárnycsapásokat – a SmartBird (1.ábra).

fes1

1. ábra. A SmartBird a levegőben

 

Ez a mesterséges madár egy olyan csapkodó szárnyú repülőgép- (ornitopter-) tanulmány, amely arányaiban, külső megjelenésében az ezüstsirályhoz hasonlít. A modell szárny-fesztávolsága kereken 2 méter, törzshossza 1,07 méter, tömege 450 gramm; a teljes rendszer energiaellátásáról egy 7,4 V-os 2 cellás lítium-polimer akkumulátor gondoskodik. A mesterséges madár energiaigénye átlagosan 23 W, de emelkedő repüléskor elérheti a 25 W-ot is, vízszintes repülésnél pedig mindössze 16-18 W.

Az „igazi” madarak mozgásának utánzásához több kell, mint egyszerűen csak siklani és le-föl lengetni a szárnyakat. A levegőben maradáshoz szükséges fölfelé irányuló erő egy része a szárnyprofilon alakul ki, ahogyan a vitorlázógépek is repülnek, azaz siklanak meghajtás nélkül. Ez azonban még nem elég a magasságnyeréshez. A madarak „motorja” a mozgó, változó vízszintes vetületű, torziós szárnyfelület. A lecsapó, kiterjesztett szárny a levegőben mozogva nagyobb reakcióerőt hoz létre, mint a felemelkedő, könyökben behajlított szárny, ezzel szárnycsapás-ciklusonként fölfelé irányuló többlet-erő jön létre az emelkedéshez. Az előre haladáshoz a szárnyak belépő élét lecsapáskor lefelé, emeléskor pedig fölfelé még el is kell csavarni (2.ábra).

fes2

2. ábra. A SmartBird mozgás-fázisai

 

A SmartBird megvalósítja mindezeket a mozgásokat. A főmozgást, a szárnyak le-felcsapását egy motorral működtetett áttétel végzi, a szárnyak torziós mozgatásáért egy-egy digitális szervoegység felelős. A szárnyak csapkodása közben mindössze 0,03 másodperc alatt megtörténik a szárnyvégek 45 fokos elcsavarása. A levegőben történő irányváltoztatást segíti a madár törzsének meghajlítása, amit további egy-egy, a fejrésznél és a törzsvégben elhelyezett szervoegység hajt végre (3. ábra).

 

fes3

3. ábra. A SmartBird szerkezet elemei

 

Ez a bonyolult rendszer rendkívüli mozgáskoordinációt igényel. A szárnymozgató motor pozícióját három Hall-érzékelő figyeli és a vezérlés ezek jelei alapján irányítja a szárnyvégek torziós mozgását. A távirányítóba épített vezérlőegység interaktív rádiókapcsolatban van a modellel. A kétoldalú adatforgalom tartalmazza egyrészt a pilóta által a SmartBirdnek kiadott parancsokat és a vezérlés koordinációs jeleit, másrészt a gépen elhelyezett érzékelők és az energiafelügyeleti eszközök információit. A folyamatos monitorozás lehetővé teszi a hajtóműveknek és a torziós mozgásoknak a repülési fázisokhoz szükséges különböző koordinációját. Ez az intelligens rendszer a másodperc tört része alatt képes a pillanatnyi helyzethez alkalmazkodni, mindig optimálisan összehangolva a rendszer egységeit.

A SmartBird azért képes a távirányított szabad repülésre, mert különlegesen energiahatékonyan működik. A gép rendkívül könnyű szerkezete karbonszálas vázrendszerből és poliuretán habanyagból épül fel, ezenkívül a külső felületek aerodinamikai tulajdonságai is kiválóak. A beépített érzékelők folyamatosan mérik a dinamikai jellemzőket, amiket összehasonlítanak a rendszer pillanatnyi villamosenergia-felvételével (4. ábra). A vezérlés ez alapján optimalizálja a működést, így az áramforrás kímélése mellett a lehető leghosszabb repülési idő érhető el.

fes4

4. ábra. Folyamatos monitorozás

 

BionicOpter

A csapkodó szárnnyal történő repülés nem csak „madár-módra” valósítható meg. A rovarok repülése is megmozgatta a fejlesztők fantáziáját, így született meg a mesterséges szitakötő. A szitakötők repülés-mechanikája – két pár szárnyuknak köszönhetően – egészen különleges. Az egymástól függetlenül mozgatható szárnypárok segítségével képesek előre és hátrafelé repülni, siklani, egy helyben lebegni, a levegőben hirtelen megállni, elindulni vagy gyorsan irányt változtatni.

A szitakötő 300 millió éves evolúciója során kialakult repülési technikája alapján megalkotott BionicOpter az első olyan ember alkotta modell, amelyik képes a helikopter, a motoros repülőgép és a vitorlázó repülőgép funkcióit egyesíteni (5. ábra).

fes5

5. ábra. A BionicOpter a levegőben

 

A 63 cm-es szárnyfesztávú és 44 cm-es törzshosszú mesterséges szitakötő tömege mindössze 175 gramm; a rendszer energiaellátását egy 7,4 V-os 2 cellás lítium-polimer akkumulátor biztosítja. A rendkívül könnyű szerkezet szárnyait finom szénszálas keret és az arra kifeszített fóliahártya alkotja. A rugalmas és mégis robusztus törzs poliamidból és terpolimerből készült. A fej mögött, a törzs “tor“-részében kapott helyet a modell mozgatását végző kilenc motor, az érzékelő rendszer, az áramforrás, egy ARM mikrokontroller és a rádió-távirányító modulok (6. ábra).

fes6

6. ábra. Fej, tor, potroh, két pár szárny  mint az igazi

 

A BionicOpter szárnyainak különleges vezérlésével és hajtástechnikájával egyedülálló repülési manővereket tud végrehajtani. A ház alsó részén elhelyezett kefe nélküli motor adja a négy szárny közös csapkodó mozgásához szükséges meghajtást. A frekvencia 15 és 20 Hz között változtatható.

Ahogy a valódi szitakötők, a BionicOpter is képes a szárnyait vízszintes síkból  függőlegesbe fordítani. A szárnyak állásszöge határozza meg a kialakuló hajtóerő irányát. Ehhez a mozgáshoz négy külön szervomotor szolgál, amelyekkel akár 90 fokban egyedileg is el lehet a szárnyakat fordítani (7. ábra).

fes7

7. ábra. A BionicOpter néhány mozgásfázis

 

A szárnyak amplitúdóját a csuklópontokon elhelyezett további négy szervomotor állítja be. A lengési tartomány változtatásával szabályozható a hajtóerő nagysága. A szárnyak tövénél úgy lehet fokozatmentesen szabályozni a beépített forgattyús mechanikát, hogy a szárnyak csapásszöge kb. 80 és 130 fok között változzon (8.ábra).

fes8

8. ábra. A BionicOpter szárnyműködtető szerkezete

 

Az irányváltoztatáshoz a törzs fej- és farokrésznek torzióját használják fel. A törzsbe épített négy, Nitinolból készült elektromos izom úgynevezett „Shape Memory Alloys“ (SMAs) emlékező ötvözetet tartalmaz, amely hő hatására összehúzódik és lehűléskor visszanyeri eredeti méreteit. Így olyan ultrakönnyű mozgató szervet kapunk, amely áram hatására képes a fejet vízszintesen és a farokrészt függőlegesen mozgatni.

A repülés folyamán a monitorozó-vezérlő rendszer valós időben regisztrálja és kiértékeli a szárnyak pozícióját és állásszögét. A testbe épített tehetetlenségi (inerciális) érzékelők folyamatosan mérik a BionicOpter gyorsulását és dőlési szögét, és megállapítják a szitakötő repülési sebességét és irányát a térben.

A BionicOpter manővereit okostelefonról lehet irányítani (9. ábra). A szitakötő irányításakor a pilóta csak a repülési irányt és sebességet vezérli. A mechanika megfelelő mozgásához szükséges összes belső paramétert (szárnycsapási frekvencia, állásszög, amplitudó) a mikrokontoller számítja ki az összegyűjtött repülési adatok és a külső irányító parancsok alapján. A kétoldalú, vezeték nélkül kommunikáció és a folyamatos információcsere segítségével a vezérlés önállóan felismeri a komplex eseményeket illetve a kritikus állapotokat, és szükség esetén a megfelelő jelek segítségével azonnal beavatkozik.

fes9

9. ábra. A BionicOpter irányítása okostelefonnal

 

1903. októberében Simon Newcomb, a híres matematikus és csillagász kijelentette, hogy a levegőnél nehezebb szerkezettel való repülés lehetetlen. Alig két hónappal később levegőbe emelkedett a Wright-testvérek első motoros repülőgépe.

Néhány évtizeddel ezelőtt a csapkodó szárnyú repülést is megvalósíthatlannak tartották. Mára megvalósult a SmartBird és a BionicOpter.

A SmartBird és a BionicOpter ma még csak két tanulmány egy-egy működési elv megvalósítására. A jövőbeli fejlesztési és felhasználási lehetőségeknek azonban csak a képzelet szabhat határt – gondoljunk itt akár televíziós légi felvételekre, térképészetre, kutatási-mentési feladatokra, katonai alkalmazásokra, vagy egyszerűen csak az amatőr modellezők időtöltésére.

Radvány Miklós

Festo Kft.