大數(shù)據(jù)文摘作品

作者：Mickey

提到可以飛的機器人，你肯定會最先想到鋼鐵俠斯塔克的那套無敵盔甲，能帶著斯塔克隨時飛天遁地，拯救世界；又或者是腳底裝了火箭發(fā)動機作為助推力的鐵臂阿童木，能夠在空中隨意暢游。

實際上，科幻電影和動畫中的這些情節(jié)并不止是天馬行空的幻想，在很多實際場景下都有著很重要的用途。無論是人形機器人還是機器人外骨骼，這類飛行機器人系統(tǒng)通過各類助推能力，可以將步行機器人變成飛行機器人。常見的思路就是在手和腳上安裝一些推進器，啟動后就能像鋼鐵俠一樣，輕松起飛。

意大利理工學院 (IIT) 的研究人員正致力于通過開發(fā)一種系統(tǒng)來控制 iCub 人形機器人，該系統(tǒng)通過鏈接四個噴氣發(fā)動機，能夠將一個人形機器人助力飛升。

iCub是IIT為研究認知而開發(fā)的開源機器人，身高104厘米，是目前世界最先進的機器人之一。iCub有53個電機，可以移動頭部、手臂、手、腰和腿部，可以“看到”和“聽到”，具有本體感覺和運動感覺，能夠四肢爬行、走路和坐起來操縱物體，手具有支持復雜操作的能力，目前已被全球20多個實驗室所采用。

這一研究至今已經持續(xù)了4年，從2017年起，IIT就開始了這一名為 iCub的人形機器人的飛行之路，并且研發(fā)了一套控制系統(tǒng)，后續(xù)將對控制系統(tǒng)進行測試，并對導航、空氣動力等問題進行深入研究，為iCub真正飛行做準備。同時，研究人員還希望將“人形”飛行機器人用于人類“飛行外骨骼”研發(fā)，替代真人完成部分實驗工作，加快“飛行外骨骼”研發(fā)步伐。

iCub的升級版iRonCub的最新研究成果發(fā)表在IEEE 機器人與自動化快報月刊上。這篇論文提出了一個框架，用于估計未配備用于直接推力測量的傳感器的飛行多體系統(tǒng)的推力強度。其所提出框架的關鍵成分是所謂的多體系統(tǒng)質心動量，與螺旋槳模型相結合。此外，還設計了一個實驗裝置來評估使用 iRonCub（一種噴氣動力人形機器人）站立在地面上的估計算法的準確性。

通過在其手腳上安裝噴氣發(fā)動機讓iCub實現(xiàn)懸停和飛行，但從根本上說，這只是另一種 多模態(tài)運動 。乍一聽，可以飛行的人形機器人似乎不是剛需，畢竟現(xiàn)在有大量關于 空中操縱 的工作都可以使用 無人機 （有時是帶有多自由度手臂的無人機）直接與周圍的世界互動。

那么，為什么要如此費力的“推起”一臺人形機器人呢？

為什么要讓機器人飛起來？

隨著機器人穩(wěn)步將其操作從研究實驗室的受控環(huán)境擴展到現(xiàn)實世界建筑基礎設施中，從 A 點到 B 點，例如走樓梯，已成為一項重大挑戰(zhàn)。為了應對機器人的移動問題，機器人專家開發(fā)了許多解決方案，包括安裝“飛行器”使機器人可以直升飛機越過障礙物，或者，像波士頓動力公司那樣，讓機器人通過跑酷的后空翻完成跨越。或者像是意大利理工學院人工智能和機械智能實驗室的負責人Daniele Pucci，他大膽地將類似噴氣背包的系統(tǒng)綁在人形機器人iRonCub的身后，希望讓他一飛沖天。

最新展示的iRonCub機器人還穿著防高溫的褲子，以便能夠更好的執(zhí)行任務。

Pucci 的團隊相信，這種系統(tǒng)有朝一日可以成為自然災害的第一響應者。

在災難響應方面，人形機器人比傳統(tǒng)無人機具有優(yōu)勢，因為它們可以更輕松地操縱一個已經為人類設計的世界。然而，當自然災害發(fā)生時，大部分以人為中心的基礎設施可能會遭到破壞或以其他方式無法通行，這會抵消人形機器人的許多最初優(yōu)勢。但是通過將人形設計與飛行能力相結合，Pucci 的團隊可以利用這兩種技術的最佳方面。

Pucci如此描述空中人形機器人的重要性：

我相信好處很多。首先，有技術優(yōu)勢?？罩腥诵螜C器人可以讓空中操作更強大、更節(jié)能?？罩胁倏v通常需要配備機械臂的四旋翼飛行器，這些機器人無法通過與環(huán)境的接觸力來移動，并且它們在操縱物體時經常在有風的環(huán)境中飛行，需要精確的位置控制來完成操縱任務。因此，飛行類人機器人的額外手可以在機器人與環(huán)境之間建立一個接觸點，從而使機器人位置控制更簡單、更穩(wěn)健。

另一個好處是社交?？罩腥诵螜C器人可以用作人類驅動飛行外骨骼的試驗臺。噴氣服發(fā)明者最近的成功故事展示了這些未來派驅動外骨骼的工程可行性。然而，我們面前的旅程還很長，我們可以使用飛行的人形機器人來推動這一旅程，避免對人類進行大量的測試。

最后，還有科學上的好處：控制飛行的人形機器人會導致許多理論和實踐問題。例如，包括操縱、接觸運動和飛行的通用控制框架仍然缺失，并且輔助噴氣等驅動在類人機器人接觸運動過程中的作用尚不清楚。例如，開啟輔助驅動更方便的步行速度是多少？我們如何處理著陸影響以實現(xiàn)飛行和步行之間的平穩(wěn)過渡？這都可以通過相關研究獲得結果

廣東工業(yè)大學研發(fā)飛行機器人Jet-HR2，通過涵道風機實現(xiàn)穩(wěn)定起飛

其實不止意大利，國內也早已開啟了人形飛行機器人的研發(fā)工作。今年上半年，廣東工業(yè)大學就研發(fā)了一款新型具備飛行能力的仿人機器人，并初步完成了樣機起飛實驗。該機器人利用矢量推進控制的方法，首次實現(xiàn)了仿人機器人的可控起飛。

該仿人機器人被命名為Jet-HR2，自2019年開始研發(fā)，其主要目的是為了驗證利用噴氣推進系統(tǒng)提高足式機器人在復雜地形環(huán)境中的運動能力的可能性。

研發(fā)團隊負責人黃之峰副教授介紹，在實際災害場景中，救援任務往往具有急迫性，對機器人到達任務執(zhí)行點的時間有非常高的要求。仿人機器人依靠步行或爬樓梯等方式移動，會受到環(huán)境障礙等的制約，尤其是要到達較高的任務執(zhí)行點時。“我們的項目展示了一種全新的可能性，利用噴氣推進的方式進行飛行或長距離跳躍，可以使機器人快速到達指定地點完成任務。”黃之峰說。

這款新型的仿人機器人（含電池）自重17kg，額定總推力達到190牛。整臺機器人包括了10個關節(jié)，由無刷直流電機和諧波減速器驅動。四個涵道風機作為機器人的推進器，分別安裝在腰部及腳掌。通過控制機器人關節(jié)實現(xiàn)對安裝在機器人腳掌上的涵道風機推力朝向進行動態(tài)調整，最終成功抑制了機器人起飛過程中由于質量分布誤差等問題造成的俯沖及自轉運動，實現(xiàn)穩(wěn)定起飛。

目前這款機器人還處于研發(fā)階段，在飛行控制，飛行高度等方面還有很多進步空間。但隨著技術的成熟，它可以利用噴氣推進的方式進行飛行或長距離跳躍，使機器人快速到達指定地點完成任務。因此，這款鋼鐵俠飛行機器人將有更多的潛在應用方向。