加州理工大學(xué)(加州理工讓無(wú)人機(jī)長(zhǎng)出腿)

夢(mèng)晨 發(fā)自 凹非寺
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這款雙足機(jī)器人，有億點(diǎn)點(diǎn)不一樣。

最引人注目的是細(xì)腿高跟鞋，然后是雙臂上的螺旋槳推進(jìn)器。

這不同尋常的組合是要做什么？

先表演一個(gè)蕪湖起飛，然后優(yōu)雅地著陸，在走路與飛行之間平穩(wěn)銜接。

4個(gè)螺旋槳除了當(dāng)作飛行的推進(jìn)器以外，在地面上也負(fù)責(zé)控制機(jī)器人在所有方向上的姿態(tài)，保持平衡。

于是這只機(jī)器人就能hold住最近流行的“走扁帶”運(yùn)動(dòng)（Slackline），類(lèi)似于走鋼絲。

還可以挑戰(zhàn)滑板繞樁。

這款機(jī)器人小名叫Leo，大名Leonardo。名字其實(shí)是研究人員玩的一個(gè)文字游戲，縮寫(xiě)自帶腿無(wú)人機(jī)（LEgs onboARD drOne）。

LEO來(lái)自加州理工大學(xué)，相關(guān)論文還登上了最新一期Science子刊Science Robotics封面。

要去做高壓線檢修

除了展示效果中的炫技，LEO的開(kāi)發(fā)目的實(shí)際是瞄準(zhǔn)了特定的應(yīng)用場(chǎng)景。

也就是地面機(jī)器人和無(wú)人機(jī)難以獨(dú)立完成的任務(wù)，典型的有高壓線路檢修和高架橋檢測(cè)。

這些任務(wù)靠人去做比較危險(xiǎn)，傳統(tǒng)的雙足機(jī)器人夠不著，無(wú)人機(jī)懸停時(shí)面對(duì)氣流擾動(dòng)又不夠穩(wěn)定。

LEO靠雙腿和螺旋槳的配合，只要給他一個(gè)能站的平面，哪怕是撒上油的易滑平面都能保持穩(wěn)定。

和商用無(wú)人機(jī)做對(duì)比，風(fēng)一來(lái)無(wú)人機(jī)就被吹跑了，而LEO還能維持在原地繼續(xù)工作。

把風(fēng)力加強(qiáng)？問(wèn)題也不大。

這樣的平衡能力LEO是怎么做到的？

靈感來(lái)自鳥(niǎo)類(lèi)

論文的通訊作者，加州理工Soon-Jo Chung介紹到LEO的設(shè)計(jì)靈感來(lái)自鳥(niǎo)類(lèi)在電線之間移動(dòng)跳躍的方式。

機(jī)器人要向鳥(niǎo)類(lèi)學(xué)習(xí)的是在飛行和行走模式之間的正確切換。

LEO機(jī)器人在飛行時(shí)保持一個(gè)平滑的軌跡，到達(dá)著陸點(diǎn)時(shí)要把飛行速度調(diào)整到著陸后的行走速度一致。

這樣一只腳著陸后切換到走路模式，就可以沿著相同的速度平穩(wěn)地繼續(xù)行走。

這些控制由機(jī)器人身上搭載的狀態(tài)機(jī)電路和腳上的傳感器來(lái)完成。

另外想要飛起來(lái)必須做到重量輕，LEO主要部分由碳纖維材質(zhì)組成，身高0.75米，重量只有2.58千克。

控制腿運(yùn)動(dòng)的是集成式直流無(wú)刷電機(jī)，裝在靠近腰部的位置，這樣可以減少腿的慣性。

腳尖部分是半球形的聚氨酯橡膠，這種材料摩擦系數(shù)很高可以防止滑倒。

高跟鞋的設(shè)計(jì)也是為了盡可能減少面積和重量，同時(shí)在站立不動(dòng)的時(shí)候能保持穩(wěn)定。

手臂上則是4個(gè)傾斜螺旋槳推進(jìn)器，在不飛行的時(shí)候也可以靠推力承擔(dān)一部分機(jī)身的重量，能從任意方向控制機(jī)器人姿態(tài)。

這樣的輕便設(shè)計(jì)也付出了很多代價(jià)，比如行走的效率很低。

行走時(shí)總共544瓦特的功率中，有445瓦特用于控制平衡的螺旋槳推進(jìn)器，雙腿和其他電子設(shè)備加起來(lái)只消耗99瓦特。

用衡量運(yùn)動(dòng)時(shí)能耗的CoT指標(biāo) (Cost of Transportation)來(lái)表示的話，LEO以每秒20厘米速度行走時(shí)的CoT值是108，3米每秒速度飛行時(shí)CoT值可降至15。

對(duì)比人類(lèi)用的生物能源CoT值則遠(yuǎn)小于1，波士頓動(dòng)力的雙足機(jī)器人行走時(shí)CoT值在20左右。

目前，LEO身上背的電池只能維持它進(jìn)行100秒飛行或3.5分鐘行走。

對(duì)此，研究人員解釋到效率優(yōu)化目前還不是優(yōu)先級(jí)最高的任務(wù)，打算先把該有的功能都實(shí)現(xiàn)再考慮。

要真正去完成工作，還需要把LEO的螺旋槳短臂擴(kuò)展成真正的手臂，以及用視覺(jué)算法和機(jī)器學(xué)習(xí)來(lái)增加機(jī)器人的自主性。

研究人員計(jì)劃下次再做展示時(shí)要造出兩個(gè)LEO機(jī)器人，然后讓他們對(duì)打羽毛球和網(wǎng)球。

這樣一個(gè)機(jī)器人要是飛起來(lái)扣球，想想還挺刺激的。

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

演示視頻：
https://www.youtube.com/watch?v=h3bkvVXsVFM

參考鏈接：
[1]https://spectrum.ieee.org/bipedal-drone-robot-caltech
[2]https://www.caltech.edu/about/news/leonardo-the-bipedal-robot-can-ride-a-skateboard-and-walk-a-slackline

— 完 —

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