可以飛行的雙足機(jī)器人LEO

它叫LEO，一款可以飛行的雙足機(jī)器人。

除了飛，它還會(huì)走鋼絲，走路時(shí)就像一只“穿了高跟鞋的小雞”。

甚至還會(huì)還可以滑滑板。

它的平衡力有多好？勁風(fēng)疾吹時(shí)，照樣保持原位。

甚至在繩子上行走也不會(huì)摔倒。

LEO的全名叫“LEgs ONboARD drOne”，意為“機(jī)上有腿的無(wú)人機(jī)”。重2.5公斤，高75厘米，它依靠腿部致動(dòng)器去向前移動(dòng)，其正常行走速度為每秒20厘米，當(dāng)在行走中加入飛行時(shí)，即可加快移動(dòng)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(gè)使用多關(guān)節(jié)腿和螺旋槳推進(jìn)器來(lái)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(gè)圓頂形保護(hù)頭盔組成。

在論文發(fā)表后，該團(tuán)隊(duì)也推出了穿黃衣的LEO。

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

飛行時(shí)，受益于LEO肩部的四個(gè)類似無(wú)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(shì)、飛越崎嶇地形、樓梯等障礙物。

穿黃衣的LEO

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(lái)自加州理工學(xué)院。

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

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

基于此，該團(tuán)隊(duì)研究了鳥(niǎo)類在起飛時(shí)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(huì)走、又會(huì)飛的雙足機(jī)器人，即便做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)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(shí)驗(yàn)室的鐘順珠教授這樣解釋LEO的研發(fā)過(guò)程：“擁有兩種以上運(yùn)動(dòng)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(niǎo)類在飛行和行走這兩種運(yùn)動(dòng)模式的過(guò)渡界面上，會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜而有趣的行為。同樣，LEO機(jī)器人通過(guò)同步控制分布式螺旋槳推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)飛行和行走模式之間的平滑過(guò)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(diǎn)。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(shí)即可觸發(fā)步行階段。著陸后，LEO通過(guò)跟蹤自己的行走軌跡就能進(jìn)行繼續(xù)行走……”

事實(shí)上，早在2019年該團(tuán)隊(duì)就曾推出過(guò)LEO的最初版本，為了實(shí)現(xiàn)飛行，科學(xué)家們也攻克了不少難題。LEO之所以能實(shí)現(xiàn)腿部運(yùn)動(dòng)和空中運(yùn)動(dòng)，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(dòng)，因此支腿重量更輕。推進(jìn)器方面，也從此前的兩個(gè)同軸螺旋槳，更改為四個(gè)傾斜螺旋槳，這能讓LEO實(shí)現(xiàn)全方位的姿態(tài)控制。

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

通過(guò)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_(tái)階為例，臺(tái)階的寬度、放腳的位置、以及軀干相對(duì)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(duì)LEO來(lái)說(shuō)有多難？一名身穿噴氣式宇航服的宇航員，在著陸或起飛時(shí)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(dòng)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(dòng)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(wú)法健步行走。

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

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

具備多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人，可比傳統(tǒng)機(jī)器人更有效地通過(guò)挑戰(zhàn)性環(huán)境，并能適當(dāng)切換可用的運(yùn)動(dòng)方式。LEO的目標(biāo)是彌合空中和兩足運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)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(gè)領(lǐng)域通常并無(wú)交織。

借助步行和飛行之間的混合運(yùn)動(dòng)，可以充分發(fā)揮這兩種運(yùn)動(dòng)各自的優(yōu)勢(shì)。LEO的輕量級(jí)腿，通過(guò)支撐大部分重量來(lái)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(dòng)，它也不會(huì)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(lái)說(shuō)，LEO的玩滑板過(guò)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(guò)傾斜來(lái)實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。而向前加速，則是通過(guò)將LEO質(zhì)心向后移動(dòng)，同時(shí)讓其向前傾斜身體實(shí)現(xiàn)的。

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

在地上，它有望代替人類從事高危工作，比如檢查高壓線路、粉刷高大的橋梁或其他高處、檢查建筑物屋頂或煉油廠管道等。

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(shí)，飛行器就能保持身體平衡，從而減少發(fā)生故障的可能。

對(duì)于該成果，前浙江之江實(shí)驗(yàn)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(jì)，以及利用大學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較有限的資源完成從軟件到硬件的集成。相比會(huì)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?！?/p>

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(dòng)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(zhǎng)度和擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)倒立擺的模型，并用四旋翼來(lái)進(jìn)行穩(wěn)定。從理論上來(lái)說(shuō)，把欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變成過(guò)驅(qū)動(dòng)，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(lái)穩(wěn)定行走的這種行為，也被稱為“上帝之手”，即會(huì)喪失行走的低能耗指標(biāo)?！?/p>

穿黃衣的LEO

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

該團(tuán)隊(duì)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(yùn)行為代價(jià)的，這導(dǎo)致它比基于腿的地面機(jī)器人會(huì)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(jì)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(duì)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(lái)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(shí)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(huì)在遇見(jiàn)障礙物時(shí)，來(lái)自行決定到底是行走穿過(guò)、還是飛行穿過(guò)。

正因此，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研發(fā)一款無(wú)人機(jī)著陸控制算法，預(yù)計(jì)該算法對(duì)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(shí)，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(yùn)動(dòng)方式中，自行決定從A到B的最佳方法。（綜合整理報(bào)道）（編輯/華生）