兼备飞行与步行能力˥为双足机器人搭载四个螺旋桨˨实现『另类』全方位姿态控制

它叫LEO，一款可以飞行的双足机器人。

除了飞，它还会走钢丝，走路时就像一只“穿了高跟鞋的小鸡”。

甚至还会还可以滑滑板。

它的平衡力有多好？劲风疾吹时，照样保持原位。

甚至在绳子上行走也不会摔倒。

LEO的全名叫“LEgs ONboARD drOne”，意为“机上有腿的无人机”。重2.5公斤，高75厘米，它依靠腿部致动器去向前移动，其正常行走速度为每秒20厘米，当在行走中加入飞行时，即可加快移动速度。

它的吸收功率为544瓦，其中445瓦用于螺旋桨，99瓦用于电子设备和腿部。

据悉，这也是首个使用多关节腿和螺旋桨推进器来控制平衡的机器人。它由两根多关节腿、外观很像手臂的螺旋桨推进器、包含电机和电子设备的“身体”、以及一个圆顶形保护头盔组成。

在论文发表后，该团队也推出了穿黄衣的LEO。

穿黄衣的LEO

穿黄衣的LEO

LEO有两个并行运动控制器：分别用于行走和飞行。行走时，腿部承担但部分重量，这时螺旋桨仅起到稳定行走的作用。

飞行时，受益于LEO肩部的四个类似无人机的螺旋桨，这让它拥有较好的平衡性，也可帮助它纠正姿势、飞越崎岖地形、楼梯等障碍物。

相关论文以《可以飞、可以松绳、可以滑板的双足行走机器人》为题，发表在Science Robotics上，并曾为当期封面论文，论文作者主要来自加州理工学院。

相关论文

从停留在天线上的小鸟汲取灵感

和很多机器人一样，LEO的研发灵感也来自大自然，但它的“灵感缪斯”是天线上的小鸟。

天线一般又细又窄，但是小鸟却能在上面翻飞跳跃，看起来很容易但其实这是一种介于飞行和行走之间的动作。而即便在平地上，小鸟也是可飞可走的多模式运动生物，比如在地面时可以走动觅食，在天上时可以自由飞翔。

基于此，该团队研究了鸟类在起飞时用腿产生推力的方式，并将类似原理用于LEO。最终，他们研发出这款既会走、又会飞的双足机器人，即便做复杂运动也能保持较高的敏捷度。

加州理工学院航空航天机器人与控制实验室的钟顺珠教授这样解释LEO的研发过程：“拥有两种以上运动模式的生物必须学习并掌握如何在不同模式之间正确切换。例如，鸟类在飞行和行走这两种运动模式的过渡界面上，会经历复杂而有趣的行为。同样，LEO机器人通过同步控制分布式螺旋桨推进器和腿关节，可实现飞行和行走模式之间的平滑过渡。

值得注意的是，LEO机器人在着陆之前可按照平滑的飞行轨迹到达着陆点。然后，它可将向前着陆速度与所选的步行速度相匹配，当一只脚接触地面时即可触发步行阶段。着陆后，LEO通过跟踪自己的行走轨迹就能进行继续行走......”

事实上，早在2019年该团队就曾推出过LEO的最初版本，为了实现飞行，科学家们也攻克了不少难题。LEO之所以能实现腿部运动和空中运动，它被安装上轻型多关节腿和螺旋桨。

目前版本的LEO由轻型伺服电机驱动，因此支腿重量更轻。推进器方面，也从此前的两个同轴螺旋桨，更改为四个倾斜螺旋桨，这能让LEO实现全方位的姿态控制。

通过关节腿和螺旋桨的同步控制，即可让它通过微妙的平衡完成高难度动作，例如松弛行走和滑板。

通过关节腿和螺旋桨的同步控制，可以松弛行走和滑板

以我们人类上台阶为例，台阶的宽度、放脚的位置、以及躯干相对于腿的位置，都是我们能否保持平衡的决定因素。

但这种行走对LEO来说有多难？一名身穿喷气式宇航服的宇航员，在着陆或起飞时控制自己的腿和脚，和LEO使用分布式螺旋桨推进器和腿关节进行同步控制，有些相似之处。

研究人员表示，他们想从动力学和芯片控制的角度，研究行走和飞行的混合状态。尽管此前波士顿动力的双足机器人，可进行跑步、跳跃和爬楼梯，但在坎坷不平的粗糙地面上，它依然无法健步行走。

而该团队给出的方案是“惹不起但是躲得起”，当遇到复杂地面时，直接飞跃过去。

但这会面临两大难题：其一，飞行过程中能耗高；其二，LEO的有效载荷能力有限。

笔者在这方面也做了许多尝试，比如作品《水墨徽语》，以江南水乡民居的整体村落为原型来设计。一直以来徽派建筑被看作是江南的一个符号，它与传统水墨神似，青瓦白墙，高低参差，大小错落，静沐于江南烟雨中，整体意境唯美和谐，同时有着强烈的节奏感、韵律感、秩序感。此外，笔者在白墙中融入水墨元素，使古典之意境更加深厚。

具备多模态运动能力的机器人，可比传统机器人更有效地通过挑战性环境，并能适当切换可用的运动方式。LEO的目标是弥合空中和两足运动的两个不同领域之间的差距，此前在现有机器人系统中这两个领域通常并无交织。

借助步行和飞行之间的混合运动，可以充分发挥这两种运动各自的优势。LEO的轻量级腿，通过支撑大部分重量来减轻推进器的压力，借助推进器和腿关节的同步控制，可让它具备较好的平衡感，从而可以按需穿越障碍物。

此外，依赖LEO身上的螺旋桨，即便遇到猛烈外力推动，它也不会倒下。

如果你想玩滑板，就得具备极好的平衡能力。而LEO的平衡力，让它也能像人类一样操作滑板。

具体来说，LEO的玩滑板过程被分为两部分：1、控制转向角度；2、控制滑板的加速和减速。

为此，LEO的腿被放在滑板上的特定位置，通过倾斜来实现转向。而向前加速，则是通过将LEO质心向后移动，同时让其向前倾斜身体实现的。

有望用于火星直升机

目前，LEO尚无出售计划。其潜在应用方向大致有两块：在地或在天。

在天上，它可被打造成智能起落架，试想一下假如火星直升机搭载上LEO，那么当在斜坡或不平坦地形上着陆时，飞行器就能保持身体平衡，从而减少发生故障的可能。

对于该成果，前浙江之江实验室PI研究员、前本田技研先端中心研究员、大阪大学博士特聘研究员付春江表示：“值得肯定的是该机器人的轻量化设计，以及利用大学实验室比较有限的资源完成从软件到硬件的集成。相比会飞的双足机器人，我更愿意把它当做在带腿部接触的四旋翼飞行器。”

他还表示：“作为博士后论文还是需要一定的胆量、综合性思维和动手能力的。该机器人用并联连杆结构分别控制腿的长度和摆动来实现倒立摆的模型，并用四旋翼来进行稳定。从理论上来说，把欠驱动系统变成过驱动，当然大大降低了控制难度。但在双足研究领域，在躯干上加外力来稳定行走的这种行为，也被称为“上帝之手”，即会丧失行走的低能耗指标。”

的确，由于行走时的LEO借助螺旋桨来保持平衡，因此能耗方面并不具备优势。

该团队的钟顺珠教授也坦言：“LEO的极端平衡能力是以螺旋桨持续运行为代价的，这导致它比基于腿的地面机器人会产生更高的能耗。然而，这种螺旋桨的稳定性，允许它使用低功率的腿伺服电机和具有灵活性的轻型腿，这是一种设计选择，可以最大限度地减少LEO的整体重量，以提高其飞行性能。”

下一步，该团队将给LEO安装一条更具刚性的机械腿，让腿部分担更多的机身重量，借此来增加螺旋桨的推力，让它可在更少依赖螺旋桨的帮助下，也能实现行走和保持平。

目前，LEO的自主能力也有待提高，由于它遵循预定义的路径，因此并不会在遇见障碍物时，来自行决定到底是行走穿过、还是飞行穿过。

正因此，该团队计划研发一款无人机着陆控制算法，预计该算法对环境的理解度更高，从而让LEO自己判断出最安全以及最少耗能的方式，当处于不平坦地形时，LEO也有望自行算出腿部需要支撑的力量、以及螺旋桨需要支撑的力量。

此外，它还有望从行走、飞行、行走+飞行这三种运动方式中，自行决定从A到B的最佳方法。