它叫 LEO，一款可以飛行的雙足機(jī)器人。[1]

除了飛，它還會(huì)走鋼絲，走路時(shí)就像一只“穿了高跟鞋的小雞”。

甚至還會(huì)還可以滑滑板

它的平衡力有多好？勁風(fēng)疾吹時(shí)，照樣保持原位。

甚至在繩子上行走也不會(huì)摔倒。

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

它的吸收功率為 544W，其中 445W 用于螺旋槳，99W 用于電子設(shè)備和腿部。

據(jù)悉，這也是首個(gè)使用多關(guān)節(jié)腿和螺旋槳推進(jìn)器來控制平衡的機(jī)器人。它由兩根多關(guān)節(jié)腿、外觀很像手臂的螺旋槳推進(jìn)器、包含電機(jī)和電子設(shè)備的“身體”、以及一個(gè)圓頂形保護(hù)頭盔組成。

在論文發(fā)表后，該團(tuán)隊(duì)也推出了穿黃衣的 LEO

LEO 有兩個(gè)并行運(yùn)動(dòng)控制器：分別用于行走和飛行。行走時(shí)，腿部承擔(dān)但部分重量，這時(shí)螺旋槳僅起到穩(wěn)定行走的作用。

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

10 月 6 日，相關(guān)論文以《可以飛、可以松繩、可以滑板的雙足行走機(jī)器人》（A bipedal walking robot that can fly, slackline, and skateboard）為題，發(fā)表在Science Robotics 上，并曾為當(dāng)期封面論文，論文作者主要來自加州理工學(xué)院。

從停留在天線上的小鳥汲取靈感

和很多機(jī)器人一樣，LEO 的研發(fā)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(xì)又窄，但是小鳥卻能在上面翻飛跳躍，看起來很容易但其實(shí)這是一種介于飛行和行走之間的動(dòng)作。而即便在平地上，小鳥也是可飛可走的多模式運(yùn)動(dòng)生物，比如在地面時(shí)可以走動(dòng)覓食，在天上時(shí)可以自由飛翔。

基于此，該團(tuán)隊(duì)研究了鳥類在起飛時(shí)用腿產(chǎn)生推力的方式，并將類似原理用于 LEO。最終，他們研發(fā)出這款既會(huì)走、又會(huì)飛的雙足機(jī)器人，即便做復(fù)雜運(yùn)動(dòng)也能保持較高的敏捷度。

加州理工學(xué)院航空航天機(jī)器人與控制實(shí)驗(yàn)室的鐘順珠（Soon-Jo Chung）教授這樣解釋 LEO 的研發(fā)過程：“擁有兩種以上運(yùn)動(dòng)模式的生物必須學(xué)習(xí)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(yùn)動(dòng)模式的過渡界面上，會(huì)經(jīng)歷復(fù)雜而有趣的行為。同樣，LEO 機(jī)器人通過同步控制分布式螺旋槳推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)，可實(shí)現(xiàn)飛行和行走模式之間的平滑過渡。

值得注意的是，LEO 機(jī)器人在著陸之前可按照平滑的飛行軌跡到達(dá)著陸點(diǎn)。然后，它可將向前著陸速度與所選的步行速度相匹配，當(dāng)一只腳接觸地面時(shí)即可觸發(fā)步行階段。著陸后，LEO 通過跟蹤自己的行走軌跡就能進(jìn)行繼續(xù)行走......”

事實(shí)上，早在 2019 年該團(tuán)隊(duì)就曾推出過 LEO 的最初版本，為了實(shí)現(xiàn)飛行，科學(xué)家們也攻克了不少難題。LEO 之所以能實(shí)現(xiàn)腿部運(yùn)動(dòng)和空中運(yùn)動(dòng)，它被安裝上輕型多關(guān)節(jié)腿和螺旋槳。

目前版本的 LEO 由輕型伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)，因此支腿重量更輕。推進(jìn)器方面，也從此前的兩個(gè)同軸螺旋槳，更改為四個(gè)傾斜螺旋槳，這能讓 LEO 實(shí)現(xiàn)全方位的姿態(tài)控制。

通過關(guān)節(jié)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(dòng)作，例如松弛行走和滑板

以我們?nèi)祟惿吓_(tái)階為例，臺(tái)階的寬度、放腳的位置、以及軀干相對(duì)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(duì) 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(shí)控制自己的腿和腳，和 LEO 使用分布式螺旋槳推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)進(jìn)行同步控制，有些相似之處。

研究人員表示，他們想從動(dòng)力學(xué)和芯片控制的角度，研究行走和飛行的混合狀態(tài)。盡管此前波士頓動(dòng)力的雙足機(jī)器人，可進(jìn)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(tuán)隊(duì)給出的方案是“惹不起但是躲得起”，當(dāng)遇到復(fù)雜地面時(shí)，直接飛躍過去。

但這會(huì)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。

具備多模態(tài)運(yùn)動(dòng)能力的機(jī)器人，可比傳統(tǒng)機(jī)器人更有效地通過挑戰(zhàn)性環(huán)境，并能適當(dāng)切換可用的運(yùn)動(dòng)方式。LEO 的目標(biāo)是彌合空中和兩足運(yùn)動(dòng)的兩個(gè)不同領(lǐng)域之間的差距，此前在現(xiàn)有機(jī)器人系統(tǒng)中這兩個(gè)領(lǐng)域通常并無交織。

借助步行和飛行之間的混合運(yùn)動(dòng)，可以充分發(fā)揮這兩種運(yùn)動(dòng)各自的優(yōu)勢(shì)。LEO 的輕量級(jí)腿，通過支撐大部分重量來減輕推進(jìn)器的壓力，借助推進(jìn)器和腿關(guān)節(jié)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(dòng)，它也不會(huì)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)向。而向前加速，則是通過將 LEO 質(zhì)心向后移動(dòng)，同時(shí)讓其向前傾斜身體實(shí)現(xiàn)的。

有望用于火星直升機(jī)

目前，LEO 尚無出售計(jì)劃。其潛在應(yīng)用方向大致有兩塊：在地或在天。

在地上，它有望代替人類從事高危工作，比如檢查高壓線路、粉刷高大的橋梁或其他高處、檢查建筑物屋頂或煉油廠管道等。

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(jī)搭載上 LEO，那么當(dāng)在斜坡或不平坦地形上著陸時(shí)，飛行器就能保持身體平衡，從而減少發(fā)生故障的可能。

對(duì)于該成果，前浙江之江實(shí)驗(yàn)室 PI 研究員、前本田技研先端中心研究員、大阪大學(xué)博士 & 特聘研究員付春江表示：“值得肯定的是該機(jī)器人的輕量化設(shè)計(jì)，以及利用大學(xué)實(shí)驗(yàn)室比較有限的資源完成從軟件到硬件的集成。相比會(huì)飛的雙足機(jī)器人，我更愿意把它當(dāng)做在帶腿部接觸的四旋翼飛行器?！?/span>

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(dòng)手能力的。該機(jī)器人用并聯(lián)連桿結(jié)構(gòu)分別控制腿的長度和擺動(dòng)來實(shí)現(xiàn)倒立擺的模型，并用四旋翼來進(jìn)行穩(wěn)定。從理論上來說，把欠驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)變成過驅(qū)動(dòng)，當(dāng)然大大降低了控制難度。但在雙足研究領(lǐng)域，在軀干上加外力來穩(wěn)定行走的這種行為，也被稱為“上帝之手”，即會(huì)喪失行走的低能耗指標(biāo)?！?/span>

的確，由于行走時(shí)的 LEO 借助螺旋槳來保持平衡，因此能耗方面并不具備優(yōu)勢(shì)。

該團(tuán)隊(duì)的鐘順珠教授也坦言：“LEO 的極端平衡能力是以螺旋槳持續(xù)運(yùn)行為代價(jià)的，這導(dǎo)致它比基于腿的地面機(jī)器人會(huì)產(chǎn)生更高的能耗。然而，這種螺旋槳的穩(wěn)定性，允許它使用低功率的腿伺服電機(jī)和具有靈活性的輕型腿，這是一種設(shè)計(jì)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?！?br />
下一步，該團(tuán)隊(duì)將給 LEO 安裝一條更具剛性的機(jī)械腿，讓腿部分擔(dān)更多的機(jī)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(shí)現(xiàn)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(yù)定義的路徑，因此并不會(huì)在遇見障礙物時(shí)，來自行決定到底是行走穿過、還是飛行穿過。

正因此，該團(tuán)隊(duì)計(jì)劃研發(fā)一款無人機(jī)著陸控制算法，預(yù)計(jì)該算法對(duì)環(huán)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(dāng)處于不平坦地形時(shí)，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(yùn)動(dòng)方式中，自行決定從 A 到 B 的最佳方法。

-End-