提到可以飛的機(jī)器人，你肯定會(huì)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(shí)飛天遁地，拯救世界；又或者是腳底裝了火箭發(fā)動(dòng)機(jī)作為助推力的鐵臂阿童木，能夠在空中隨意暢游。

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

意大利理工學(xué)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(jī)器人，該系統(tǒng)通過鏈接四個(gè)噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)，能夠?qū)⒁粋€(gè)人形機(jī)器人助力飛升。

iCub是IIT為研究認(rèn)知而開發(fā)的開源機(jī)器人，身高104厘米，是目前世界最先進(jìn)的機(jī)器人之一。iCub有53個(gè)電機(jī)，可以移動(dòng)頭部、手臂、手、腰和腿部，可以“看到”和“聽到”，具有本體感覺和運(yùn)動(dòng)感覺，能夠四肢爬行、走路和坐起來操縱物體，手具有支持復(fù)雜操作的能力，目前已被全球20多個(gè)實(shí)驗(yàn)室所采用。

這一研究至今已經(jīng)持續(xù)了4年，從2017年起，IIT就開始了這一名為 iCub的人形機(jī)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(jìn)行測試，并對導(dǎo)航、空氣動(dòng)力等問題進(jìn)行深入研究，為iCub真正飛行做準(zhǔn)備。同時(shí)，研究人員還希望將“人形”飛行機(jī)器人用于人類“飛行外骨骼”研發(fā)，替代真人完成部分實(shí)驗(yàn)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(jī)器人與自動(dòng)化快報(bào)月刊上。這篇論文提出了一個(gè)框架，用于估計(jì)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(qiáng)度。其所提出框架的關(guān)鍵成分是所謂的多體系統(tǒng)質(zhì)心動(dòng)量，與螺旋槳模型相結(jié)合。此外，還設(shè)計(jì)了一個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置來評估使用 iRonCub（一種噴氣動(dòng)力人形機(jī)器人）站立在地面上的估計(jì)算法的準(zhǔn)確性。

通過在其手腳上安裝噴氣發(fā)動(dòng)機(jī)讓iCub實(shí)現(xiàn)懸停和飛行，但從根本上說，這只是另一種多模態(tài)運(yùn)動(dòng)。乍一聽，可以飛行的人形機(jī)器人似乎不是剛需，畢竟現(xiàn)在有大量關(guān)于空中操縱的工作都可以使用無人機(jī)（有時(shí)是帶有多自由度手臂的無人機(jī)）直接與周圍的世界互動(dòng)。

那么，為什么要如此費(fèi)力的“推起”一臺人形機(jī)器人呢？

為什么要讓機(jī)器人飛起來？

隨著機(jī)器人穩(wěn)步將其操作從研究實(shí)驗(yàn)室的受控環(huán)境擴(kuò)展到現(xiàn)實(shí)世界建筑基礎(chǔ)設(shè)施中，從 A 點(diǎn)到 B 點(diǎn)，例如走樓梯，已成為一項(xiàng)重大挑戰(zhàn)。為了應(yīng)對機(jī)器人的移動(dòng)問題，機(jī)器人專家開發(fā)了許多解決方案，包括安裝“飛行器”使機(jī)器人可以直升飛機(jī)越過障礙物，或者，像波士頓動(dòng)力公司那樣，讓機(jī)器人通過跑酷的后空翻完成跨越?；蛘呦袷且獯罄砉W(xué)院人工智能和機(jī)械智能實(shí)驗(yàn)室的負(fù)責(zé)人Daniele Pucci，他大膽地將類似噴氣背包的系統(tǒng)綁在人形機(jī)器人iRonCub的身后，希望讓他一飛沖天。

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

Pucci 的團(tuán)隊(duì)相信，這種系統(tǒng)有朝一日可以成為自然災(zāi)害的第一響應(yīng)者。

在災(zāi)難響應(yīng)方面，人形機(jī)器人比傳統(tǒng)無人機(jī)具有優(yōu)勢，因?yàn)樗鼈兛梢愿p松地操縱一個(gè)已經(jīng)為人類設(shè)計(jì)的世界。然而，當(dāng)自然災(zāi)害發(fā)生時(shí)，大部分以人為中心的基礎(chǔ)設(shè)施可能會(huì)遭到破壞或以其他方式無法通行，這會(huì)抵消人形機(jī)器人的許多最初優(yōu)勢。但是通過將人形設(shè)計(jì)與飛行能力相結(jié)合，Pucci 的團(tuán)隊(duì)可以利用這兩種技術(shù)的最佳方面。

Pucci如此描述空中人形機(jī)器人的重要性：

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

另一個(gè)好處是社交?？罩腥诵螜C(jī)器人可以用作人類驅(qū)動(dòng)飛行外骨骼的試驗(yàn)臺。噴氣服發(fā)明者最近的成功故事展示了這些未來派驅(qū)動(dòng)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(jī)器人來推動(dòng)這一旅程，避免對人類進(jìn)行大量的測試。

最后，還有科學(xué)上的好處：控制飛行的人形機(jī)器人會(huì)導(dǎo)致許多理論和實(shí)踐問題。例如，包括操縱、接觸運(yùn)動(dòng)和飛行的通用控制框架仍然缺失，并且輔助噴氣等驅(qū)動(dòng)在類人機(jī)器人接觸運(yùn)動(dòng)過程中的作用尚不清楚。例如，開啟輔助驅(qū)動(dòng)更方便的步行速度是多少？我們?nèi)绾翁幚碇懹绊懸詫?shí)現(xiàn)飛行和步行之間的平穩(wěn)過渡？這都可以通過相關(guān)研究獲得結(jié)果

廣東工業(yè)大學(xué)研發(fā)飛行機(jī)器人Jet-HR2，通過涵道風(fēng)機(jī)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起飛

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

該仿人機(jī)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(yàn)證利用噴氣推進(jìn)系統(tǒng)提高足式機(jī)器人在復(fù)雜地形環(huán)境中的運(yùn)動(dòng)能力的可能性。

研發(fā)團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)人黃之峰副教授介紹，在實(shí)際災(zāi)害場景中，救援任務(wù)往往具有急迫性，對機(jī)器人到達(dá)任務(wù)執(zhí)行點(diǎn)的時(shí)間有非常高的要求。仿人機(jī)器人依靠步行或爬樓梯等方式移動(dòng)，會(huì)受到環(huán)境障礙等的制約，尤其是要到達(dá)較高的任務(wù)執(zhí)行點(diǎn)時(shí)。“我們的項(xiàng)目展示了一種全新的可能性，利用噴氣推進(jìn)的方式進(jìn)行飛行或長距離跳躍，可以使機(jī)器人快速到達(dá)指定地點(diǎn)完成任務(wù)?！秉S之峰說。

這款新型的仿人機(jī)器人（含電池）自重17kg，額定總推力達(dá)到190牛。整臺機(jī)器人包括了10個(gè)關(guān)節(jié)，由無刷直流電機(jī)和諧波減速器驅(qū)動(dòng)。四個(gè)涵道風(fēng)機(jī)作為機(jī)器人的推進(jìn)器，分別安裝在腰部及腳掌。通過控制機(jī)器人關(guān)節(jié)實(shí)現(xiàn)對安裝在機(jī)器人腳掌上的涵道風(fēng)機(jī)推力朝向進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整，最終成功抑制了機(jī)器人起飛過程中由于質(zhì)量分布誤差等問題造成的俯沖及自轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定起飛。

目前這款機(jī)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(jìn)步空間。但隨著技術(shù)的成熟，它可以利用噴氣推進(jìn)的方式進(jìn)行飛行或長距離跳躍，使機(jī)器人快速到達(dá)指定地點(diǎn)完成任務(wù)。因此，這款鋼鐵俠飛行機(jī)器人將有更多的潛在應(yīng)用方向。

相關(guān)素材：

https://spectrum.ieee.org/flying-humanoid-robot

https://spectrum.ieee.org/jet-powered-icub-could-be-the-first-flying-humanoid-robot

https://gdutnews.gdut.edu.cn/info/1013/14419.htm