奥克兰大学工程师发明可用于教育和研究的3D打印机器人飞艇

来自奥克兰大学新型灵巧（机器人）研究小组的两名工程师发表了一篇学术论文，详细介绍了一个局部使用3D打印的机器人飞艇的设计和制作。作者Gal Gorjup和Minas Liarokapis表示，这项作品具有低成本、开源设计的特点，适合室内使用，可用于教育和研究。

集成好的飞艇；图片来源：奥克兰大学

微型室内机器人飞艇

设计室内使用的微型飞行器时，需要考虑一些事项。首先，它必须是安全的，特别是如果要在拥挤的教室中使用。通常建议不要使用带有尖锐边缘或尖角的高速装置，避免发生类似于刺穿眼球的事故。还有功耗问题，由于空间和容量不足，小型无线飞行器的能源供应会有限制。

因此，奥克兰的工程师决定选择了飞艇-一种比空气还轻（lighter-than-air）的飞行器。飞艇依靠的是“比空气轻”的内部气体，利用密度的差异可以在不需要任何额外动力的情况下实现长时间漂浮。由于没有高速旋转的螺旋桨，飞艇囊体比较柔软且行驶缓慢，因此会把碰撞造成的伤害风险降到最低。

设计和制作

该项目的第一部分是为飞艇选择合适的填充气体。Gorjup和Liarokapis放弃了氢气和热空气，选择了氦气。这是由于氦气具有密度小以及不易反应的特点，使其能提供浮力并且相对安全。但是，氦气是不可再生的，出于经济性和环保性的考虑，选择合适的囊体材料是非常重要的（保证不漏气）。

二人测试评估了多种材料的物理性能和氦气保存能力。其中包括未经处理的乳胶气球、用气体保护液（Ultra Hi-Float）处理过的乳胶气球和微型箔片气球。在16天的时间里，每天测量一次不同材料充气气球的浮力和表面积。最终，由于微型箔片（microfoil）具有低应变率，高拉伸度和低成本等优点，二人选择它作为囊体材料。

不同囊体材料对比（最右边为微型箔）；图片来源：奥克兰大学

该项目的最后一部分是设计囊体下方的吊舱。吊舱是3D打印出来的，装有树莓派芯片、电机驱动器、一组直流电机、升压稳压器、三个螺旋桨和一个提供动态视角的摄像头。总的来说，这些组件的总成本约为90美元。吊舱用尼龙绳系在囊体的下方。

飞艇设计完成后，工程师们认为该飞艇适用于教育和研究，成本低并且环保，学生们在使用飞艇的过程中可以学习开发测试PID控制器。物理设计的开源性也允许进行定制和优化，使得学生有机会提升其计算机辅助设计（CAD）和快速模型制作技能。

3D打印的吊舱及内部所有电子设备；图片来源：奥克兰大学

有关飞艇的设计和评估的详细信息，请参见题为“低成本，开源，用于教育和研究的机器人飞艇” 的论文（ALow-Cost, Open-Source, Robotic Airship for Education and Research），它发布在IEEE Access集合中。

3D打印赋予设计工作的自由度使其非常适合于高度个性化需求的远程控制车辆，例如无人机。去年，SkyBox Engineering 公司与意大利3D打印机制造商Roboze合作，为无人机生产阻尼器。阻尼器由Carbon PA（一种由聚酰胺和碳纤维组成的材料）制成，可吸收高速电机产生的振动。还有在班加罗尔，直接金属激光烧结专家Poeir Jets开发了印度的第一台3D打印重型混合动力无人机。这些无人机可一次举起重达75千克的重量并保持2小时。