兼?zhèn)滹w行與步行能力?為雙足機(jī)器人搭載四個螺旋槳?實現(xiàn)『另類』全方位姿態(tài)控制

它叫LEO，一款可以飛行的雙足機(jī)器人。

除了飛，它還會走鋼絲，走路時就像一只“穿了高跟鞋的小雞”。

甚至還會還可以滑滑板。

它的平衡力有多好？勁風(fēng)疾吹時，照樣保持原位。

甚至在繩子上行走也不會摔倒。

LEO的全名叫“LEgs ONboARD drOne”，意為“機(jī)上有腿的無人機(jī)”。重2.5公斤，高75厘米，它依靠腿部致動器去向前移動，其正常行走速度為每秒20厘米，當(dāng)在行走中加入飛行時，即可加快移動速度。

它的吸收功率為544瓦，其中445瓦用于螺旋槳，99瓦用于電子設(shè)備和腿部。

據(jù)悉，這也是首個使用多關(guān)節(jié)腿和螺旋槳推進(jìn)器來控制平衡的機(jī)器人。它由兩根多關(guān)節(jié)腿、外觀很像手臂的螺旋槳推進(jìn)器、包含電機(jī)和電子設(shè)備的“身體”、以及一個圓頂形保護(hù)頭盔組成。

在論文發(fā)表后，該團(tuán)隊也推出了穿黃衣的LEO。

穿黃衣的LEO

穿黃衣的LEO

LEO有兩個并行運動控制器：分別用于行走和飛行。行走時，腿部承擔(dān)但部分重量，這時螺旋槳僅起到穩(wěn)定行走的作用。

飛行時，受益于LEO肩部的四個類似無人機(jī)的螺旋槳，這讓它擁有較好的平衡性，也可幫助它糾正姿勢、飛越崎嶇地形、樓梯等障礙物。

相關(guān)論文以《可以飛、可以松繩、可以滑板的雙足行走機(jī)器人》為題，發(fā)表在Science Robotics上，并曾為當(dāng)期封面論文，論文作者主要來自加州理工學(xué)院。

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從停留在天線上的小鳥汲取靈感

和很多機(jī)器人一樣，LEO的研發(fā)靈感也來自大自然，但它的“靈感繆斯”是天線上的小鳥。

天線一般又細(xì)又窄，但是小鳥卻能在上面翻飛跳躍，看起來很容易但其實這是一種介于飛行和行走之間的動作。而即便在平地上，小鳥也是可飛可走的多模式運動生物，比如在地面時可以走動覓食，在天上時可以自由飛翔。

基于此，該團(tuán)隊研究了鳥類在起飛時用腿產(chǎn)生推力的方式，并將類似原理用于LEO。最終，他們研發(fā)出這款既會走、又會飛的雙足機(jī)器人，即便做復(fù)雜運動也能保持較高的敏捷度。

加州理工學(xué)院航空航天機(jī)器人與控制實驗室的鐘順珠教授這樣解釋LEO的研發(fā)過程：“擁有兩種以上運動模式的生物必須學(xué)習(xí)并掌握如何在不同模式之間正確切換。例如，鳥類在飛行和行走這兩種運動模式的過渡界面上，會經(jīng)歷復(fù)雜而有趣的行為。同樣，LEO機(jī)器人通過同步控制分布式螺旋槳推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)，可實現(xiàn)飛行和行走模式之間的平滑過渡。

值得注意的是，LEO機(jī)器人在著陸之前可按照平滑的飛行軌跡到達(dá)著陸點。然后，它可將向前著陸速度與所選的步行速度相匹配，當(dāng)一只腳接觸地面時即可觸發(fā)步行階段。著陸后，LEO通過跟蹤自己的行走軌跡就能進(jìn)行繼續(xù)行走......”

事實上，早在2019年該團(tuán)隊就曾推出過LEO的最初版本，為了實現(xiàn)飛行，科學(xué)家們也攻克了不少難題。LEO之所以能實現(xiàn)腿部運動和空中運動，它被安裝上輕型多關(guān)節(jié)腿和螺旋槳。

目前版本的LEO由輕型伺服電機(jī)驅(qū)動，因此支腿重量更輕。推進(jìn)器方面，也從此前的兩個同軸螺旋槳，更改為四個傾斜螺旋槳，這能讓LEO實現(xiàn)全方位的姿態(tài)控制。

通過關(guān)節(jié)腿和螺旋槳的同步控制，即可讓它通過微妙的平衡完成高難度動作，例如松弛行走和滑板。

通過關(guān)節(jié)腿和螺旋槳的同步控制，可以松弛行走和滑板

以我們?nèi)祟惿吓_階為例，臺階的寬度、放腳的位置、以及軀干相對于腿的位置，都是我們能否保持平衡的決定因素。

但這種行走對LEO來說有多難？一名身穿噴氣式宇航服的宇航員，在著陸或起飛時控制自己的腿和腳，和LEO使用分布式螺旋槳推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)進(jìn)行同步控制，有些相似之處。

研究人員表示，他們想從動力學(xué)和芯片控制的角度，研究行走和飛行的混合狀態(tài)。盡管此前波士頓動力的雙足機(jī)器人，可進(jìn)行跑步、跳躍和爬樓梯，但在坎坷不平的粗糙地面上，它依然無法健步行走。

而該團(tuán)隊給出的方案是“惹不起但是躲得起”，當(dāng)遇到復(fù)雜地面時，直接飛躍過去。

但這會面臨兩大難題：其一，飛行過程中能耗高；其二，LEO的有效載荷能力有限。

筆者在這方面也做了許多嘗試，比如作品《水墨徽語》，以江南水鄉(xiāng)民居的整體村落為原型來設(shè)計。一直以來徽派建筑被看作是江南的一個符號，它與傳統(tǒng)水墨神似，青瓦白墻，高低參差，大小錯落，靜沐于江南煙雨中，整體意境唯美和諧，同時有著強(qiáng)烈的節(jié)奏感、韻律感、秩序感。此外，筆者在白墻中融入水墨元素，使古典之意境更加深厚。

具備多模態(tài)運動能力的機(jī)器人，可比傳統(tǒng)機(jī)器人更有效地通過挑戰(zhàn)性環(huán)境，并能適當(dāng)切換可用的運動方式。LEO的目標(biāo)是彌合空中和兩足運動的兩個不同領(lǐng)域之間的差距，此前在現(xiàn)有機(jī)器人系統(tǒng)中這兩個領(lǐng)域通常并無交織。

借助步行和飛行之間的混合運動，可以充分發(fā)揮這兩種運動各自的優(yōu)勢。LEO的輕量級腿，通過支撐大部分重量來減輕推進(jìn)器的壓力，借助推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)的同步控制，可讓它具備較好的平衡感，從而可以按需穿越障礙物。

此外，依賴LEO身上的螺旋槳，即便遇到猛烈外力推動，它也不會倒下。

如果你想玩滑板，就得具備極好的平衡能力。而LEO的平衡力，讓它也能像人類一樣操作滑板。

具體來說，LEO的玩滑板過程被分為兩部分：1、控制轉(zhuǎn)向角度；2、控制滑板的加速和減速。

為此，LEO的腿被放在滑板上的特定位置，通過傾斜來實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。而向前加速，則是通過將LEO質(zhì)心向后移動，同時讓其向前傾斜身體實現(xiàn)的。

有望用于火星直升機(jī)

目前，LEO尚無出售計劃。其潛在應(yīng)用方向大致有兩塊：在地或在天。

在天上，它可被打造成智能起落架，試想一下假如火星直升機(jī)搭載上LEO，那么當(dāng)在斜坡或不平坦地形上著陸時，飛行器就能保持身體平衡，從而減少發(fā)生故障的可能。

對于該成果，前浙江之江實驗室PI研究員、前本田技研先端中心研究員、大阪大學(xué)博士特聘研究員付春江表示：“值得肯定的是該機(jī)器人的輕量化設(shè)計，以及利用大學(xué)實驗室比較有限的資源完成從軟件到硬件的集成。相比會飛的雙足機(jī)器人，我更愿意把它當(dāng)做在帶腿部接觸的四旋翼飛行器。”

他還表示：“作為博士后論文還是需要一定的膽量、綜合性思維和動手能力的。該機(jī)器人用并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)分別控制腿的長度和擺動來實現(xiàn)倒立擺的模型，并用四旋翼來進(jìn)行穩(wěn)定。從理論上來說，把欠驅(qū)動系統(tǒng)變成過驅(qū)動，當(dāng)然大大降低了控制難度。但在雙足研究領(lǐng)域，在軀干上加外力來穩(wěn)定行走的這種行為，也被稱為“上帝之手”，即會喪失行走的低能耗指標(biāo)?！?/p>

的確，由于行走時的LEO借助螺旋槳來保持平衡，因此能耗方面并不具備優(yōu)勢。

該團(tuán)隊的鐘順珠教授也坦言：“LEO的極端平衡能力是以螺旋槳持續(xù)運行為代價的，這導(dǎo)致它比基于腿的地面機(jī)器人會產(chǎn)生更高的能耗。然而，這種螺旋槳的穩(wěn)定性，允許它使用低功率的腿伺服電機(jī)和具有靈活性的輕型腿，這是一種設(shè)計選擇，可以最大限度地減少LEO的整體重量，以提高其飛行性能?！?/p>

下一步，該團(tuán)隊將給LEO安裝一條更具剛性的機(jī)械腿，讓腿部分擔(dān)更多的機(jī)身重量，借此來增加螺旋槳的推力，讓它可在更少依賴螺旋槳的幫助下，也能實現(xiàn)行走和保持平。

目前，LEO的自主能力也有待提高，由于它遵循預(yù)定義的路徑，因此并不會在遇見障礙物時，來自行決定到底是行走穿過、還是飛行穿過。

正因此，該團(tuán)隊計劃研發(fā)一款無人機(jī)著陸控制算法，預(yù)計該算法對環(huán)境的理解度更高，從而讓LEO自己判斷出最安全以及最少耗能的方式，當(dāng)處于不平坦地形時，LEO也有望自行算出腿部需要支撐的力量、以及螺旋槳需要支撐的力量。

此外，它還有望從行走、飛行、行走+飛行這三種運動方式中，自行決定從A到B的最佳方法。