美國加州理工學院開發(fā)出雙足機器人 能夠進行復雜運動

美國加州理工學院的研究人員開發(fā)出了一種雙足機器人，結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，能夠進行復雜的運動，如滑滑板、走鋼絲等。

這個機器人設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(“legs onboard drone”無人機上的腿，簡稱 LEO)。LEO 能夠通過多關節(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。高空作業(yè)將是 LEO 最合適的應用之一，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)》。

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)行復雜任務的能力。

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)勢相結合，讓 LEO 能夠結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各類崎嶇地形。

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 的腿部結構采用碳纖維管和 3D 打印碳纖維增強尼龍關節(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 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 的風速下也能保持穩(wěn)定。

研究人員在論文中談道：“也許最適合 LEO 的應用是那些涉及高空作業(yè)的應用，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 設計的技術還可以促進自適應起落架系統(tǒng)的發(fā)展。研究團隊設想，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險。

接下來，該團隊計劃通過完善腿部設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。

結語：能跑能飛，讓雙足機器人應用空間更廣闊

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用空間。

關鍵詞： 美國 加州理工學院 雙足機器人 復雜運動