美國加州理工學(xué)院的研究人員開發(fā)出了一種雙足機(jī)器人，結(jié)合了雙足行走與飛行兩種運(yùn)動姿態(tài)，使其具有異常的靈活性，能夠進(jìn)行復(fù)雜的運(yùn)動，如滑滑板、走鋼絲等。

▲ LEO 沿系在樹間的繩索行走

這個機(jī)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（"legs onboard drone" 無人機(jī)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(jìn)器，實(shí)現(xiàn)對自身平衡的精細(xì)控制。

研究人員在研究論文中稱，得益于它的混合運(yùn)動能力，LEO 能夠執(zhí)行人類和傳統(tǒng)機(jī)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(jī)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

01.

改變傳統(tǒng)運(yùn)動方式，讓機(jī)器人能跑也能飛

現(xiàn)有的機(jī)器人大多都可以在地面或空中進(jìn)行運(yùn)動，卻幾乎沒有同時擁有這兩種運(yùn)動方式的機(jī)器人。此外，現(xiàn)有的機(jī)器人也很少具有執(zhí)行復(fù)雜任務(wù)的能力。

地面機(jī)器人具有腿式、輪式、爬行式等多種形式，其中雙足機(jī)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(jī)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(jī)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(diǎn)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(jī)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(jìn)行物理交互時與地面機(jī)器人相比要更加困難。

研究人員將這兩種機(jī)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(yùn)動模式進(jìn)行混合運(yùn)動，通過切換不同的運(yùn)動方式來適應(yīng)各類崎嶇地形。

▲ LEO 走到臺階前并飛下臺階

02.

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(jìn)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(qiáng)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(jī)，一個位于骨盆處，另外兩個位于髖部的前后，三個伺服電機(jī)共同控制腿部的運(yùn)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(jī)械部件

LEO 可以通過其機(jī)載計算機(jī)和傳感器套件完全自主運(yùn)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(jī)器人的重心，從而實(shí)現(xiàn)行走。在飛行中，LEO 能夠單獨(dú)使用螺旋槳，像無人機(jī)一樣飛行。

03.

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(yùn)動的能力，研究人員發(fā)現(xiàn)它可以完成一些常規(guī)機(jī)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(dá) 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(jī)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(yuǎn)距離檢查線路，還要走在線路上進(jìn)行檢查和維修。利用 LEO 無需再派遣人員爬上電線，只用讓機(jī)器人飛到高壓線路上并沿著電線行走來進(jìn)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(jìn)自適應(yīng)起落架系統(tǒng)的發(fā)展。研究團(tuán)隊設(shè)想，未來的火星旋翼機(jī)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(tuán)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(jī)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(jī)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(jī)的著陸，讓機(jī)器人更好地了解環(huán)境，自行決定步行、飛行或混合運(yùn)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。

04.

結(jié)語：能跑能飛，讓雙足機(jī)器人應(yīng)用空間更廣闊

雙足機(jī)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(jī)器人在很多情況下的運(yùn)動會受到限制。

LEO 通過將行走與飛行兩種運(yùn)動狀態(tài)相結(jié)合，讓雙足機(jī)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。

來源：Science Robotics、TechXplore、智東西