加州理工让双足机器人「上了天」

Posted 2021-10-29 人工智能博士

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转载于 ：机器之心

能走能飞，这才是最酷的双足机器人吧？！

有的机器人可以行走，有的可以飞行。你见过既能行走又能飞行的双足机器人吗？

加州理工学院的研究人员就打造了这样一台机器人 LEONARDO（LEgs ONboARD drOne 的简称，或简称 LEO），该机器人结合了行走和飞行，创造了一种新型的运动方式，使其异常灵活，能够进行复杂的运动。日前，该研究相关的论文登上了 Science Robotics 封面。

论文地址：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.abf8136

LEO 走路时就像穿着高跟鞋，但这些「高跟鞋」可以让它保持平衡：

LEO 还能飞行，飞行落地后还能自由行走：

LEO 滑滑板过障碍也毫不费力，看起来比初级滑板爱好者还要厉害：

高难度的走绳索也能顺利通过：

这项研究来自鸟类启发，正如通讯作者 Soon-Jo Chung 教授所说的：「我们从大自然中汲取灵感，鸟类拍打和跳跃导航电话线的方式给了我们启发，当鸟类在行走和飞行之间移动时，会发生一种复杂而有趣的行为 ，我们想了解并从中学习。」

「这就像穿着喷气式飞机服的人在着陆或起飞时如何控制他们的腿和脚，而 LEO 使用基于螺旋桨的分布式推进器和腿关节的同步控制进行运动，它们之间存在相似性，」Chung 补充道。「我们想从动力学和控制的角度研究机器人的行走和飞行界面。」

除了 Soon-Jo Chung 教授以外，该论文的合著者还包括前加州理工学院博士后学者、现任东北大学助理教授的 Alireza Ramezani。这项研究得到了加州理工学院 Gary Clinard 创新基金和加州理工学院自主系统和技术中心的支持。

能走、能飞，LEO 靠的是什么？

双足机器人通过执行与人类相同的动作来应对现实世界复杂的地形，例如跳跃、奔跑甚至是爬楼梯，但双足机器人会受到崎岖地形的阻碍。相比之下，飞行机器人只需要在地面上空飞行即可轻松驾驭崎岖地形，但同样面临自身的一些限制，如飞行过程中的高能耗和有限的负载能力。因此，双足与飞行机器人的结合是完美的解决方案。

论文一作、加州理工学院客座研究员 Kyunam Kim 表示，「与传统机器人相比，具备多模态运动能力的机器人通过在可支持的运动方式之间进行切换，可以更高效地应对具有挑战性的环境。具体而言，LEO 旨在将机器人的双足行走和空中飞行能力融合在一起，而这在现有机器人系统中通常无法实现。」

通过使用介于行走和飞行之间的混合运动，LEO 实现了两全其美的运动效果。

Kyunam Kim

LEO 的具体构造是什么样呢？我们接着看。

LEO 的重量为 2.58 千克，行走时整机高度为 75cm。LEO 主要由三个子系统组成，分别是躯干、四个分别以一定角度安装在肩部的螺旋桨推进器以及两条配有 3 个驱动关节的腿。下图为 LEO 的整体架构图：

LEO 腿部在设计和构造上尽可能轻量化，并且惯性矩低，从而可以实现敏捷的行走，并在飞行过程中减轻腿部负载所需要的螺旋桨推力。为了实现这一目标，腿部构造上采用了碳纤维管和支撑轴承的 3D 打印的碳纤维增强尼龙关节。

LEO 的两条腿是对称的，并且每条腿配有 3 个伺服马达驱动。第一个伺服马达位于骨盆，在 LEO 的额状面内部移动腿部结构。另外两个伺服马达位于臀部的前后，驱动并联腿机构并使它们向前摆动。

此外，在腿部的设计上，每条腿的末端都有一个半圆形的聚氨酯橡胶，作为具有高摩擦系数的足点，以防止 LEO 站立或行走时滑倒。

下图为 LEO 腿部的动力学模型：

LEO 的肩部有四个对称安装的螺旋桨，用于稳定和控制自身的行走和飞行运动。选择螺旋桨的旋转轴，以在正向和逆向两个方向上生成飞行时质心（CoM）和行走时当前站立脚位置所需的滚转、俯仰和偏航力矩。具体来讲，螺旋桨轴线从垂直轴向内倾斜的角度为 25°。

下图为 LEO 肩部螺旋桨的动力学模型：

至于 LEO 的飞行模式，它作为标准的四旋翼飞行器仅需要四个倾斜的螺旋桨来控制。下图展示了 LEO 的控制器架构以及详细的组件：

人类在行走时，通过调整腿部的位置和方向来使自身的重心向前移动，从而保持身体的平衡。LEO 的行走与人类相同：螺旋桨推进器确保自身在行走时保持直立状态，腿部致动器通过同步的行走和飞行控制器来改变双腿的位置并使自身重心前移。在飞行时，LEO 单独使用螺旋桨，向无人机一样飞行。

LEO 通过自身的机载计算机和传感器套件，实现了完全自主的运行。LEO 的正常行走速度为 20cm/s，也即 0.72km/h。在行走和断续飞行同时进行时，速度会大大增加。

除了正常行走和飞行之外，LEO 还学会了一系列高难度的动作，如滑滑板和走绳索等。

未来还将继续升级

接下来，该团队计划通过创建更坚固的腿部设计来提高 LEO 的性能，该设计能够支撑更重的机器人并增加螺旋桨的推力。此外，团队希望 LEO 更加自主，这样机器人就能知道在不平坦地形上行走时，有多少重量是由腿部支撑的，有多少重量需要由螺旋桨支撑。

此外，研究人员还计划为 LEO 配备一种新开发的利用深度神经网络控制的无人机着陆控制算法。LEO 通过更好地了解环境，可以自行决定行走、飞行或混合运动的最佳组合，以最安全的方式、使用最少的能量从一个地方移动到另一个地方。

「目前，LEO 在行走时使用螺旋桨来保持平衡，这意味着 LEO 能量效率相当低。我们计划改进腿部设计，使 LEO 能够在最少的螺旋桨帮助下行走和保持平衡，」加州理工学院研究生、合著者之一 Lupu 说道。

现实世界中，LEO 设计的技术可以促进自适应起落架系统的发展，该系统由用于空中机器人和其他类型飞行器的受控腿部关节组成。该团队设想，未来的火星旋翼机可以配备腿式起落架，以便这些空中机器人降落在倾斜或不平坦的地形上时可以保持身体平衡，从而降低在具有挑战性的着陆条件下失败的风险。

参考链接：https://www.caltech.edu/about/news/leonardo-the-bipedal-robot-can-ride-a-skateboard-and-walk-a-slackline

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