基於噴氣動力的iCub或將成為第一個飛行類人機器人

【編者按】我們對於機器人和飛行器都不陌生，但提到飛行類人機器人可能會更多得聯想到科幻小說的種種場景。義大利技術研究所（IIT）的研究人員正在開發一種能夠控制裝有四個噴射引擎的iCub人形機器人的系統，該機器人或將成為第一個飛行類人機器人。

本文從以下兩方面進行分析：1）該團隊目前的研究進展；2）IEEE Spectrum對團隊負責人Daniele Pucci的專訪。

能飛的機器人在科幻小說里不足為奇，不論是人形機器人還是外骨骼機器人，他們似乎都能向鋼鐵俠一樣，從步行機器人變成一個飛行機器人，這主要得益於安裝在其手腳上的助推器。科幻小說里滿是這種高科技的東西，而思考這些事情又是非常有趣的，我們可以想像各種令人嘆服的應用場景，甚至應用於對外星人的強制性打擊和更普遍的反對抗行為。

事實上，這些科幻小說里的應用未來也可能成為現實。義大利技術研究所（IIT）的研究人員正在開發一種能夠控制裝有四個噴射引擎的iCub人形機器人的系統。

一個在手腳上裝有噴氣發動機的iCub機器人在空中懸停和飛行，這聽起來似乎有點不可思議。但從根本上來說，這是另一種多模態運動，只不過是運用在了人形機器人上，而非我們平時看到的混合平台。很多飛行器都將飛行與其他運動結合起來，以提高效率和多樣性，那麼為什麼不能把這種多模態運動應用於類人形機器人呢？事實上，現在有很多工作都在空中完成——無人機（或具有高度自由機器臂的無人機）直接與周圍世界進行互動。但相比於無人機，模擬機器人更擅長操控程序。

來自於IIT的三位研究員Daniele Pucci、Silvio Traversaro以及Francesco Nori向IEEE機器人和自動化專欄提交了一篇名為「開發一種欠驅動的飛行類人機器人控制框架的首要步驟」的研究報告。他們認為「人形機器人和飛行機器人相結合能帶來巨大的技術效益：結合這兩種機器人特性的平台可能具有飛行能力、接觸性運動和操控能力。」

截至目前，該研究團隊僅構建出一個基本的控制框架，用以控制模擬機器人iCub的懸停和溫和運動，該過程主要依靠噴氣發動機的推力。研究人員並沒有考慮空氣動力學的影響，也沒有考慮到iCub在實際飛行過程中需要處理的問題。但這些因素隨後會被納入研究範圍。目前，該研究團隊的目標是使用模擬實驗來驗證文本中所描述的控制演算法對建模誤差是否具有合理的健壯性，這對於最終構建真實機器人來說是十分必要的。

該研究團隊的對iCub進行了兩項模擬模擬構想：無定向/帶方位控制的分段恆速軌跡和方位控制/非完全控制模型的螺旋形飛行。

IEEE Spectrum對研究報告的主要作者Daniele Pucci進行了專訪，億歐對採訪內容進行以下整理。

IEEE Spectrum：您設計飛行機器人iCub的靈感來源於哪裡？

Daniele Pucci：早在四年前，我初次來到IIT的時候就已經有這個想法。在我攻讀博士學位期間，我開發了一種對飛行器統一的控制方法，在飛行器的底層是一個單剛體。因此，當我第一次看到類人機器人iCub的時候，我就在想如何在我的博士論文中擴展這個理論，如何將基於單剛體的假設擴展到多體鉸鏈式飛行器，如iCub？因此，所有的想法從這個問題開始延伸。

IEEE Spectrum：在報告中，您指出「人形機器人和飛行機器人相結合能帶來巨大的技術效益」。您能就此談談嗎？以及飛行類人機器人能給我們帶來什麼樣的效益？

Daniele Pucci：我認為兩者結合將帶來很多好處。首先帶來技術效益。空中類人機器人能將空中操作擴展到更健壯和更節能的水平。事實上，目前大部分完成空中操作任務多由裝有機械手臂的四軸飛行器來完成。這些飛行器不能藉助與環境接觸的力量來移動，而且在有風的天氣需要耗費更多的動力，來確保在精確的位置完成操作任務。但飛行類人機器人的手臂可以在機器人和環境之間建立一個接觸點，從而使機器人的位置控制更加簡單和健壯。

其次，對社會帶來好處。我認為空中機器人可以作為人類驅動飛行外骨骼的試驗台。最近，英國發明家Richard Browning穿著自己發明的噴氣式飛行服試飛，這表示在未來驅動外骨骼的工程具有可行性。然而，實現人類飛行的願景還有很長的路要走，但是我們可以使用飛行類人機器人來推進這一進程，同時避免了人類大量的親身試驗。我們也邀請了Richard Browning參與討論驅動飛行外骨骼，他對此也感到十分興奮。

最後，對科學帶來好處。在我看來，控制飛行類人機器人會面臨一些理論和實踐上的問題。例如，一個包含操縱、接觸移動和飛行的一般控制框架仍然卻是，在人形機器人接觸移動過程中，其輔助設備（如噴氣發動機）的作用還不是很清楚？機器人要以多快的步行速度才能更方便地打開助推器？如何處理飛行到步行著陸之間的平穩過度？

IEEE Spectrum：下一步的計劃是什麼？你認為什麼時候能把噴氣發動機與iCub機器人相結合，並測試其飛行是否成功？

Daniele Pucci：目前，我們仍然需要解決一些理論問題，比如機器人盆骨參考框架的集合（或者其他一般的機器人框架）。此外，我正在研究人形機器人的空氣動力學，這對於其高效水平飛行時最基本的。而空氣動力學的控制設計也將成為一個最大的理論問題。

但要在實踐中發揮作用，其問題還涉及其他方面。如何選取噴氣驅動，檢查iCub在壓力下的轉矩控制，並驗證慣性感測器在高振動下是否能正常工作，這些都是未來的主要挑戰。目前，我們已經成立IIT研究團隊，大大縮短了研究時間，但要確定具體的時間表，還要看我們項目資金籌集的進展情況。

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