兼備飛行與步行能力?為雙足機器人搭載四個螺旋槳?實現『另類』全方位姿態控制

它叫LEO，一款可以飛行的雙足機器人。

除了飛，它還會走鋼絲，走路時就像一只“穿了高跟鞋的小雞”。

甚至還會還可以滑滑板。

它的平衡力有多好？勁風疾吹時，照樣保持原位。

甚至在繩子上行走也不會摔倒。

LEO的全名叫“LEgs ONboARD drOne”，意為“機上有腿的無人機”。重2.5公斤，高75厘米，它依靠腿部致動器去向前移動，其正常行走速度為每秒20厘米，當在行走中加入飛行時，即可加快移動速度。

它的吸收功率為544瓦，其中445瓦用于螺旋槳，99瓦用于電子設備和腿部。

據悉，這也是首個使用多關節腿和螺旋槳推進器來控制平衡的機器人。它由兩根多關節腿、外觀很像手臂的螺旋槳推進器、包含電機和電子設備的“身體”、以及一個圓頂形保護頭盔組成。

在論文發表后，該團隊也推出了穿黃衣的LEO。

穿黃衣的LEO

穿黃衣的LEO

LEO有兩個并行運動控制器：分別用于行走和飛行。行走時，腿部承擔但部分重量，這時螺旋槳僅起到穩定行走的作用。

飛行時，受益于LEO肩部的四個類似無人機的螺旋槳，這讓它擁有較好的平衡性，也可幫助它糾正姿勢、飛越崎嶇地形、樓梯等障礙物。

相關論文以《可以飛、可以松繩、可以滑板的雙足行走機器人》為題，發表在Science Robotics上，并曾為當期封面論文，論文作者主要來自加州理工學院。

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從停留在天線上的小鳥汲取靈感

和很多機器人一樣，LEO的研發靈感也來自大自然，但它的“靈感繆斯”是天線上的小鳥。

天線一般又細又窄，但是小鳥卻能在上面翻飛跳躍，看起來很容易但其實這是一種介于飛行和行走之間的動作。而即便在平地上，小鳥也是可飛可走的多模式運動生物，比如在地面時可以走動覓食，在天上時可以自由飛翔。

基于此，該團隊研究了鳥類在起飛時用腿產生推力的方式，并將類似原理用于LEO。最終，他們研發出這款既會走、又會飛的雙足機器人，即便做復雜運動也能保持較高的敏捷度。

加州理工學院航空航天機器人與控制實驗室的鐘順珠教授這樣解釋LEO的研發過程：“擁有兩種以上運動模式的生物必須學習并掌握如何在不同模式之間正確切換。例如，鳥類在飛行和行走這兩種運動模式的過渡界面上，會經歷復雜而有趣的行為。同樣，LEO機器人通過同步控制分布式螺旋槳推進器和腿關節，可實現飛行和行走模式之間的平滑過渡。

值得注意的是，LEO機器人在著陸之前可按照平滑的飛行軌跡到達著陸點。然后，它可將向前著陸速度與所選的步行速度相匹配，當一只腳接觸地面時即可觸發步行階段。著陸后，LEO通過跟蹤自己的行走軌跡就能進行繼續行走......”

事實上，早在2019年該團隊就曾推出過LEO的最初版本，為了實現飛行，科學家們也攻克了不少難題。LEO之所以能實現腿部運動和空中運動，它被安裝上輕型多關節腿和螺旋槳。

目前版本的LEO由輕型伺服電機驅動，因此支腿重量更輕。推進器方面，也從此前的兩個同軸螺旋槳，更改為四個傾斜螺旋槳，這能讓LEO實現全方位的姿態控制。

通過關節腿和螺旋槳的同步控制，即可讓它通過微妙的平衡完成高難度動作，例如松弛行走和滑板。

通過關節腿和螺旋槳的同步控制，可以松弛行走和滑板

以我們人類上臺階為例，臺階的寬度、放腳的位置、以及軀干相對于腿的位置，都是我們能否保持平衡的決定因素。

但這種行走對LEO來說有多難？一名身穿噴氣式宇航服的宇航員，在著陸或起飛時控制自己的腿和腳，和LEO使用分布式螺旋槳推進器和腿關節進行同步控制，有些相似之處。

研究人員表示，他們想從動力學和芯片控制的角度，研究行走和飛行的混合狀態。盡管此前波士頓動力的雙足機器人，可進行跑步、跳躍和爬樓梯，但在坎坷不平的粗糙地面上，它依然無法健步行走。

而該團隊給出的方案是“惹不起但是躲得起”，當遇到復雜地面時，直接飛躍過去。

但這會面臨兩大難題：其一，飛行過程中能耗高；其二，LEO的有效載荷能力有限。

筆者在這方面也做了許多嘗試，比如作品《水墨徽語》，以江南水鄉民居的整體村落為原型來設計。一直以來徽派建筑被看作是江南的一個符號，它與傳統水墨神似，青瓦白墻，高低參差，大小錯落，靜沐于江南煙雨中，整體意境唯美和諧，同時有著強烈的節奏感、韻律感、秩序感。此外，筆者在白墻中融入水墨元素，使古典之意境更加深厚。

具備多模態運動能力的機器人，可比傳統機器人更有效地通過挑戰性環境，并能適當切換可用的運動方式。LEO的目標是彌合空中和兩足運動的兩個不同領域之間的差距，此前在現有機器人系統中這兩個領域通常并無交織。

借助步行和飛行之間的混合運動，可以充分發揮這兩種運動各自的優勢。LEO的輕量級腿，通過支撐大部分重量來減輕推進器的壓力，借助推進器和腿關節的同步控制，可讓它具備較好的平衡感，從而可以按需穿越障礙物。

此外，依賴LEO身上的螺旋槳，即便遇到猛烈外力推動，它也不會倒下。

如果你想玩滑板，就得具備極好的平衡能力。而LEO的平衡力，讓它也能像人類一樣操作滑板。

具體來說，LEO的玩滑板過程被分為兩部分：1、控制轉向角度；2、控制滑板的加速和減速。

為此，LEO的腿被放在滑板上的特定位置，通過傾斜來實現轉向。而向前加速，則是通過將LEO質心向后移動，同時讓其向前傾斜身體實現的。

有望用于火星直升機

目前，LEO尚無出售計劃。其潛在應用方向大致有兩塊：在地或在天。

在天上，它可被打造成智能起落架，試想一下假如火星直升機搭載上LEO，那么當在斜坡或不平坦地形上著陸時，飛行器就能保持身體平衡，從而減少發生故障的可能。

對于該成果，前浙江之江實驗室PI研究員、前本田技研先端中心研究員、大阪大學博士特聘研究員付春江表示：“值得肯定的是該機器人的輕量化設計，以及利用大學實驗室比較有限的資源完成從軟件到硬件的集成。相比會飛的雙足機器人，我更愿意把它當做在帶腿部接觸的四旋翼飛行器。”

他還表示：“作為博士后論文還是需要一定的膽量、綜合性思維和動手能力的。該機器人用并聯連桿結構分別控制腿的長度和擺動來實現倒立擺的模型，并用四旋翼來進行穩定。從理論上來說，把欠驅動系統變成過驅動，當然大大降低了控制難度。但在雙足研究領域，在軀干上加外力來穩定行走的這種行為，也被稱為“上帝之手”，即會喪失行走的低能耗指標。”

的確，由于行走時的LEO借助螺旋槳來保持平衡，因此能耗方面并不具備優勢。

該團隊的鐘順珠教授也坦言：“LEO的極端平衡能力是以螺旋槳持續運行為代價的，這導致它比基于腿的地面機器人會產生更高的能耗。然而，這種螺旋槳的穩定性，允許它使用低功率的腿伺服電機和具有靈活性的輕型腿，這是一種設計選擇，可以最大限度地減少LEO的整體重量，以提高其飛行性能。”

下一步，該團隊將給LEO安裝一條更具剛性的機械腿，讓腿部分擔更多的機身重量，借此來增加螺旋槳的推力，讓它可在更少依賴螺旋槳的幫助下，也能實現行走和保持平。

目前，LEO的自主能力也有待提高，由于它遵循預定義的路徑，因此并不會在遇見障礙物時，來自行決定到底是行走穿過、還是飛行穿過。

正因此，該團隊計劃研發一款無人機著陸控制算法，預計該算法對環境的理解度更高，從而讓LEO自己判斷出最安全以及最少耗能的方式，當處于不平坦地形時，LEO也有望自行算出腿部需要支撐的力量、以及螺旋槳需要支撐的力量。

此外，它還有望從行走、飛行、行走+飛行這三種運動方式中，自行決定從A到B的最佳方法。