10 月 9 日消息，美國加州理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種雙足機器人，結(jié)合了雙足行走與飛行兩種運動姿態(tài)，使其具有異常的靈活性，能夠進行復(fù)雜的運動，如滑滑板、走鋼絲等。
▲ LEO 沿系在樹間的繩索行走
這個機器人設(shè)計靈感來自于鳥類在行走與飛行之間產(chǎn)生的各種行為，研究人員將其命名為 LEONARDO（“l(fā)egs onboard drone”無人機上的腿，簡稱 LEO）。LEO 能夠通過多關(guān)節(jié)腿和基于螺旋槳的推進器，實現(xiàn)對自身平衡的精細控制。
研究人員在研究論文中稱，得益于它的混合運動能力，LEO 能夠執(zhí)行人類和傳統(tǒng)機器人難以執(zhí)行的各類任務(wù)。高空作業(yè)將是 LEO 最合適的應(yīng)用之一，如高壓線路的檢修、高空橋梁噴涂油漆等。
這項研究于本周三發(fā)表在 Science 子刊 Science Robotics 上，并登上了該期刊本月的封面。論文題目為《A bipedal walking robot that can fly, slackline, and skateboard（一種雙足行走機器人，可以飛行、走鋼絲和滑板）》。
論文鏈接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf8136
一、改變傳統(tǒng)運動方式，讓機器人能跑也能飛
現(xiàn)有的機器人大多都可以在地面或空中進行運動，卻幾乎沒有同時擁有這兩種運動方式的機器人。此外，現(xiàn)有的機器人也很少具有執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。
地面機器人具有腿式、輪式、爬行式等多種形式，其中雙足機器人因具有人類的外觀，能夠像人類一樣行走、奔跑、跳躍等而備受關(guān)注。但是地面機器人的移動很容易受到崎嶇地形的限制，同時其應(yīng)用范圍也限于地面附近，很難從事高空工作。
飛行機器人能夠無視各類崎嶇地形，從事遙感、交付、搜救、巡檢等空中工作。但是其自身的缺點也十分明顯，比如能耗大、飛行時間短、荷載量有限等。此外，空中機器人在空中工作時因需要首先照顧自身的穩(wěn)定性，因此其與物體進行物理交互時與地面機器人相比要更加困難。
研究人員將這兩種機器人的優(yōu)勢相結(jié)合，讓 LEO 能夠結(jié)合步行與飛行兩種運動模式進行混合運動，通過切換不同的運動方式來適應(yīng)各類崎嶇地形。
▲ LEO 走到臺階前并飛下臺階
二、身高 75 厘米僅有 5 斤重，肩扛 4 個螺旋槳
LEO 的重量為 2.58 公斤，行走時的整體高度為 75 厘米。它主要由軀干、螺旋槳推進系統(tǒng)和兩條帶尖腳跟的腿三部分組成。
為了使其足夠輕量化，LEO 的腿部結(jié)構(gòu)采用碳纖維管和 3D 打印碳纖維增強尼龍關(guān)節(jié)來支撐滾珠軸承。它的兩條腿是對稱的，每條腿都有 3 個伺服電機，一個位于骨盆處，另外兩個位于髖部的前后，三個伺服電機共同控制腿部的運動。
LEO 的肩部安裝有 4 個對稱放置的螺旋槳，用來穩(wěn)定和控制行走和飛行動作。
▲ LEO 的電子和機械部件
LEO 可以通過其機載計算機和傳感器套件完全自主運行，根據(jù)需要穿越的障礙物類型，它可以選擇使用步行或飛行，或根據(jù)需要將兩者混合使用。
在行走過程中，LEO 的螺旋槳確保其能夠在行走時保持直立，腿部致動器通過改變腿的位置以向前移動機器人的重心，從而實現(xiàn)行走。在飛行中，LEO 能夠單獨使用螺旋槳，像無人機一樣飛行。
三、會滑滑板、走鋼絲，高空作業(yè)是最大應(yīng)用方向
得益于其混合運動的能力，研究人員發(fā)現(xiàn)它可以完成一些常規(guī)機器人難以完成的動作，比如在繩索上行走、滑滑板等。并且它還具有極高的抗干擾能力，在達 3.8 m/s 的風(fēng)速下也能保持穩(wěn)定。
▲ LEO 滑滑板繞過障礙
研究人員在論文中談道：“也許最適合 LEO 的應(yīng)用是那些涉及高空作業(yè)的應(yīng)用，這些工作對人類來說通常是危險的，需要機器人來替代。”
例如，目前高壓線路檢測依靠專業(yè)人員來完成，他們不僅要遠距離檢查線路，還要走在線路上進行檢查和維修。利用 LEO 無需再派遣人員爬上電線，只用讓機器人飛到高壓線路上并沿著電線行走來進行檢修工作，這會降低檢修成本，也能夠降低人員墜落傷亡的可能。
除了這些作用之外，為 LEO 設(shè)計的技術(shù)還可以促進自適應(yīng)起落架系統(tǒng)的發(fā)展。研究團隊設(shè)想，未來的火星旋翼機可以配備腿式起落架，以便它們降落在傾斜或不平坦的地形上時可以保持身體平衡，從而降低在著陸失敗的風(fēng)險。
接下來，該團隊計劃通過完善腿部設(shè)計使其更加堅固來提高 LEO 的性能，以支撐更重的機器人并增加螺旋槳的推力。此外，他們還希望 LEO 能夠更加自主，以便機器人在崎嶇的地形上行走時，能夠了解腿部支撐了多少重量，需要螺旋槳提供多少推力。
研究人員還計劃為 LEO 配備一種新開發(fā)的控制算法，該算法利用深度神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)控制無人機的著陸，讓機器人更好地了解環(huán)境，自行決定步行、飛行或混合運動的最佳組合，以最安全、最低能耗的方式從一個地方移動到另一個地方。
結(jié)語：能跑能飛，讓雙足機器人應(yīng)用空間更廣闊
雙足機器人因具有人類的外觀，能夠模仿人類完成各項工作。但是受限于環(huán)境與地形條件，雙足機器人在很多情況下的運動會受到限制。
LEO 通過將行走與飛行兩種運動狀態(tài)相結(jié)合，讓雙足機器人能跑也能飛，打破了地形這一障礙，使其擁有更加廣泛的應(yīng)用空間。
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