超越無人機，世界首個人形飛行機器人

撰文 | 埃文·阿克曼

編譯 | 關文君

在科幻小說中，我們經常看到可以飛行的機器人。無論是類人型機器人還是採用機器外骨骼，似乎把步行機器人變成飛行機器人的方法是在四肢上附著推進器，就像鋼鐵俠一樣，「咻」地一下飛走。科幻小說充斥著這樣情節的原因在於構想飛行機器人非常有趣，你可以想像出各種引人注目的應用，甚至比外星人入侵更奪人眼球。

事實上，科幻小說中的飛行機器人可能也會出現在現實生活中。義大利技術研究所（IIT）的研究人員正在努力實現這一點。他們開發的iCub人型機器人，裝載了使用四台噴氣發動機的控制系統。

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iCub，首個飛行人形機器人模型 來源：IIT

通過在手和腳上安裝噴氣發動機讓iCub實現懸停和飛行聽起來有點牽強。但從根本上說，這只是另一種多模式運動，只不過它是應用於人型機器人，而不是我們更常見的混合平台。有很多機器人將飛行功能與其他類型的運動結合起來，以提高效率和多功能性，那麼為什麼不把它應用於人型機器人呢？確實，目前在空中操縱方面正在進行大量工作——使用無人機（有時是載有多重武器的無人機）直接與周圍的世界互動。那麼在操作方面最棒的是什麼呢？當然是人型機器人！所以我們讓它們飛起來！

在提交給IEEE《機器人與自動化》（RA-L）的文章中，來自IIT的達妮埃萊·普奇（DanielePucci），西爾維奧·特朗維薩羅（Silvio Traversaro）和弗朗切斯科·諾里（Francesco Nori）提出了「開發非自由飛行人型機器人控制框架的第一步」。他們的想法是「將人型機器人和飛行機器人更緊密地結合在一起，從而獲得很強的技術優勢：結合了兩種機器人的平台具有飛行、接觸運動和操作的能力。」

強調一下，此處被作者稱之的第一步，確實是第一步。到目前為止，他們所建立的是一個基本的控制框架，可以依靠來自位於機器人手腳部的模擬噴氣發動機的推力來控制模擬的iCub機器人。研究人員沒有考慮空氣動力學的影響，或任何其他實際的噴氣式飛行的iCub需要處理的問題。這些都是之後才需要考慮的事情。目前，目標是使用模擬來驗證論文中描述的控制演算法具有合理的抗建模誤差的魯棒性，這對於真正機器人的最終實現非常必要。

以下是我們與第一作者達妮埃萊·普奇的訪談：

IEEE Spectrum：您在哪裡得到飛行iCub的靈感？

達妮埃萊·普奇：四年前，當我第一次到達IIT時，我想出了這個想法。在我攻讀博士期間，我為飛行器開發了統一的控制方法，其中底層的飛行機器人是單個剛體。所以當我第一次看到人型機器人iCub時，我想到：如何將我的博士論文中基於單個剛體的理論擴展應用於多體鉸接式的飛行器，比如iCub？一切從這個問題開始。

在這篇論文中，您說「把人型機器人和飛行機器人結合在一起帶來了很大的益處」。您可以更詳細地說說嗎？飛行人型機器人將為我們帶來什麼樣的好處？

我相信好處很多。一是技術上的好處。空中的人形機器人將空中操作擴展到更強大、更節能的水平。事實上，空中操作通常由裝載了機器人手臂的四輪機構來實現。這些機器人不能通過與環境接觸所產生的力來移動，並且它們在操作物體時經常在有風的環境中飛行，同時需要精確的位置控制來完成操作任務。因此，飛行的人型機器人增加的手部可以建立機器人與環境之間的接觸點，從而使機器人位置控制更簡單、更強大。

另一個是對於社會的好處。我相信空中人形機器人可以用於人類飛行外骨骼的試驗台。理查德·布朗寧（Richard Browning）最近的成功顯示了這些未來實現的外骨骼的工程可行性。不過，我們還有很長的一段路要走。我們可以用飛行的人型機器人來推動這個進程，避免在人類身上的大量試驗。我們已經邀請布朗寧到IIT討論促進飛行外骨骼，他對我們關於飛行人型機器人的工作非常感興趣。

最後還有對科學的益處：依我愚見，控制飛行的人型機器人會產生一系列理論和實踐的問題。例如，包括操作、接觸運動和飛行的總體控制框架還未建立，並且人型機器人的接觸運動期間輔助（噴氣）制動的作用尚不明朗。例如，步行速度為多少時可以更節能地開啟輔助動作？我們如何處理著陸，使得飛行和步行之間能夠順利過渡？

您的下一步工作是什麼，您認為何時可將噴氣發動機連接到一個iCub機器人，看看它是否能夠按預期飛行？

在理論層面，我還有一些想要解決的問題，比如機器人骨盆（或另一個通用機器人框架）的參考框架的融合。此外，我正在研究人型機器人方面的空氣動力學。如果我們想為機器人裝備翼進行有效的橫向飛行，這將是至關重要的。那麼，控制設計中的空氣動力學將是最大的理論問題之一。

但是，為使其實際運作，還有別的問題需要考慮。表徵噴氣式制動、檢查iCub在該壓力下的扭矩控制、並驗證慣性感測器在高振動水平下是否正常工作是我設想的未來主要挑戰之一。現在，我已經成為IIT一個研究團隊的負責人，我稱之為LOCOMotion控制實驗室，所以我的研究時間非常緊張。然而，想制定一份時間表，主要問題是為空中人型機器人尋找資金。我相信，一旦資金到位，在一年半的時間裡，我們可能會實現iCub的部分盤旋功能，但一切都取決於開始時間。

我們感謝達妮埃萊的答案。如果有任何人想要資助這個項目，敬請聯繫神盾局、斯塔克工業公司，漢默工業公司等等。讓我們使這個機器人離開地面。

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