一款可以行走和飞行的双足机器人

研究人员在加州理工学院（Caltech）建造了一种双足机器人，它将行走与飞行相结合，创造出一种新型的运动方式，使其异常敏捷并能够执行复杂的动作。

这款新开发的机器人名为LEONARDO（简称为LEO，即“腿部装载无人机”），既是行走机器人，也是飞行无人机，能够在松弛的绳索上行走、跳跃，甚至能够滑板。LEO由加州理工学院自主系统与技术中心（CAST）的团队开发，是第一个使用多关节腿部和基于螺旋桨的推进器来精确控制平衡的机器人。

关于LEO机器人的论文于2021年10月6日在线发表，并在2021年10月的《科学机器人》杂志封面上亮相。

“我们从自然界中汲取灵感。想想看鸟类如何通过拍动翅膀和跳跃在电线上穿梭，”相关作者、航空与控制动力系统布伦教授宋俊赵（Soon-Jo Chung）说。“鸟类在行走和飞行之间的转换是一个复杂却又引人入胜的行为。我们想要理解并从中学习。”

宋俊赵补充说：“人类穿戴喷气式飞行装备时，控制腿部和脚部在起飞或降落时的方式，与LEO使用分布式螺旋桨推进器和腿部关节的同步控制有相似之处。我们想从动力学和控制的角度研究行走和飞行的交界面。”

双足机器人能够使用人类相同类型的动作，如跳跃、奔跑甚至爬楼梯，来应对复杂的现实世界地形，但它们在崎岖地形上受阻。飞行机器人通过简单地避开地面，轻松导航艰难地形，但它们也面临自己的限制：飞行时高能量消耗和有限的载荷能力。“具有多模式运动能力的机器人能够通过适当地在可用的运动方式之间切换，在挑战性环境中比传统机器人更有效地移动。特别是，LEO旨在弥合空中和双足运动这两个不同领域之间的差距，这两个领域在现有的机器人系统中通常不相交，”加州理工学院博士后研究员、《科学机器人》论文的共同主要作者金均南（Kyunam Kim）说。

通过使用介于行走和飞行之间的混合运动，研究人员在运动方式上获得了双方的最佳特性。LEO的轻质腿部通过支撑大部分重量来减轻推进器的压力，但由于推进器与腿部关节同步控制，LEO拥有惊人的平衡能力。

“基于它需要穿越的障碍类型，LEO可以选择使用行走或飞行，或根据需要混合这两种方式。此外，LEO能够执行即使在人类中也需要平衡掌握的不寻常的运动动作，如在松弛绳上行走和滑板，”《科学机器人》论文的共同主要作者、目前在加州理工学院管理的NASA喷气推进实验室工作的宋俊赵小组前成员施派乐（Patrick Spieler）说。

LEO身高2.5英尺，配备有两条带有三个动力关节的腿，以及安装在机器人肩部的四个角度的螺旋桨推进器。当人走路时，他们会调整腿部和脚部的位置和方向，使他们的重心向前移动，同时保持身体的平衡。LEO也以这种方式行走：螺旋桨确保机器人在行走时保持直立，腿部致动器改变腿部的位置，通过使用同步行走和飞行控制器，将机器人的重心向前移动。在飞行中，机器人仅使用其螺旋桨并像无人机一样飞行。

“由于其螺旋桨，你可以用很大的力量戳或推LEO，而实际上并不会把机器人推倒，”《科学机器人》论文的共同作者、加州理工学院研究生卢普（Elena-Sorina Lupu，MS '21）说。LEO项目始于2019年夏天，该项目的《科学机器人》论文作者和三名通过该学院的暑期本科研究奖学金（SURF）计划参与项目的加州理工学院本科生一起启动。

接下来，团队计划通过创建更加坚固的腿部设计来提高LEO的性能，该设计能够支撑更多的机器人重量，并增加推进器的推力。此外，他们希望使LEO更加自主，以便机器人能够了解在不平坦地形上行走时，有多少重量由腿部支撑，有多少需要由螺旋桨支撑。

研究人员还计划为LEO配备新开发的使用深度神经网络的无人机着陆控制算法。有了对环境更好的了解，LEO可以自己决定在一个地方到另一个地方移动时应该使用的最佳行走、飞行或混合运动组合，以便根据最安全和最节省能量的方式行动。

卢普（Lupu）表示：“目前，LEO在行走时使用螺旋桨进行平衡，这意味着它的能量使用效率相对较低。我们计划改进腿部设计，使LEO在尽可能少使用螺旋桨的情况下行走和保持平衡。”卢普将在她的博士项目期间继续研究LEO。

在现实世界中，为LEO设计的技术可能促进由受控腿部关节组成的适应性着陆装置系统的发展，这些系统适用于空中机器人和其他类型的飞行器。团队设想，未来火星旋翼机器人可能会配备有腿的着陆装置，以便这些空中机器人在倾斜或不平坦的地形上着陆时能够保持身体平衡，从而降低在具有挑战性的着陆条件下失败的风险。

论文的标题为“一种可以飞行、走钢丝和滑板的双足行走机器人”。共同作者还包括加州理工学院前博士后学者、目前在东北大学任助理教授的阿里雷扎·拉梅扎尼（Alireza Ramezani）。这项研究得到了加州理工学院加里·克林纳德创新基金和加州理工学院自主系统与技术中心的支持。

参考

[1]https://www.caltech.edu/about/news/leonardo-the-bipedal-robot-can-ride-a-skateboard-and-walk-a-slackline