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无人机都能买菜了，为什么还有这么多研究组，执着地要让人形机器人飞起来？

晰数塔互联网快讯
2021-12-14 16:02

提到可以飞的机器人，你肯定会最先想到钢铁侠斯塔克的那套无敌盔甲，能带着斯塔克随时飞天遁地，拯救世界；又或者是脚底装了火箭发动机作为助推力的铁臂阿童木，能够在空中随意畅游。

实际上，科幻电影和动画中的这些情节并不止是天马行空的幻想，在很多实际场景下都有着很重要的用途。无论是人形机器人还是机器人外骨骼，这类飞行机器人系统通过各类助推能力，可以将步行机器人变成飞行机器人。常见的思路就是在手和脚上安装一些推进器，启动后就能像钢铁侠一样，轻松起飞。

意大利理工学院 (IIT) 的研究人员正致力于通过开发一种系统来控制 iCub 人形机器人，该系统通过链接四个喷气发动机，能够将一个人形机器人助力飞升。

iCub是IIT为研究认知而开发的开源机器人，身高104厘米，是目前世界最先进的机器人之一。iCub有53个电机，可以移动头部、手臂、手、腰和腿部，可以“看到”和“听到”，具有本体感觉和运动感觉，能够四肢爬行、走路和坐起来操纵物体，手具有支持复杂操作的能力，目前已被全球20多个实验室所采用。

这一研究至今已经持续了4年，从2017年起，IIT就开始了这一名为 iCub的人形机器人的飞行之路，并且研发了一套控制系统，后续将对控制系统进行测试，并对导航、空气动力等问题进行深入研究，为iCub真正飞行做准备。同时，研究人员还希望将“人形”飞行机器人用于人类“飞行外骨骼”研发，替代真人完成部分实验工作，加快“飞行外骨骼”研发步伐。

iCub的升级版iRonCub的最新研究成果发表在IEEE 机器人与自动化快报月刊上。这篇论文提出了一个框架，用于估计未配备用于直接推力测量的传感器的飞行多体系统的推力强度。其所提出框架的关键成分是所谓的多体系统质心动量，与螺旋桨模型相结合。此外，还设计了一个实验装置来评估使用 iRonCub（一种喷气动力人形机器人）站立在地面上的估计算法的准确性。

通过在其手脚上安装喷气发动机让iCub实现悬停和飞行，但从根本上说，这只是另一种多模态运动。乍一听，可以飞行的人形机器人似乎不是刚需，毕竟现在有大量关于空中操纵的工作都可以使用无人机（有时是带有多自由度手臂的无人机）直接与周围的世界互动。

那么，为什么要如此费力的“推起”一台人形机器人呢？

为什么要让机器人飞起来？

随着机器人稳步将其操作从研究实验室的受控环境扩展到现实世界建筑基础设施中，从 A 点到 B 点，例如走楼梯，已成为一项重大挑战。为了应对机器人的移动问题，机器人专家开发了许多解决方案，包括安装“飞行器”使机器人可以直升飞机越过障碍物，或者，像波士顿动力公司那样，让机器人通过跑酷的后空翻完成跨越。或者像是意大利理工学院人工智能和机械智能实验室的负责人Daniele Pucci，他大胆地将类似喷气背包的系统绑在人形机器人iRonCub的身后，希望让他一飞冲天。

最新展示的iRonCub机器人还穿着防高温的裤子，以便能够更好的执行任务。

Pucci 的团队相信，这种系统有朝一日可以成为自然灾害的第一响应者。

在灾难响应方面，人形机器人比传统无人机具有优势，因为它们可以更轻松地操纵一个已经为人类设计的世界。然而，当自然灾害发生时，大部分以人为中心的基础设施可能会遭到破坏或以其他方式无法通行，这会抵消人形机器人的许多最初优势。但是通过将人形设计与飞行能力相结合，Pucci 的团队可以利用这两种技术的最佳方面。

Pucci如此描述空中人形机器人的重要性：

我相信好处很多。首先，有技术优势。空中人形机器人可以让空中操作更强大、更节能。空中操纵通常需要配备机械臂的四旋翼飞行器，这些机器人无法通过与环境的接触力来移动，并且它们在操纵物体时经常在有风的环境中飞行，需要精确的位置控制来完成操纵任务。因此，飞行类人机器人的额外手可以在机器人与环境之间建立一个接触点，从而使机器人位置控制更简单、更稳健。

另一个好处是社交。空中人形机器人可以用作人类驱动飞行外骨骼的试验台。喷气服发明者最近的成功故事展示了这些未来派驱动外骨骼的工程可行性。然而，我们面前的旅程还很长，我们可以使用飞行的人形机器人来推动这一旅程，避免对人类进行大量的测试。

最后，还有科学上的好处：控制飞行的人形机器人会导致许多理论和实践问题。例如，包括操纵、接触运动和飞行的通用控制框架仍然缺失，并且辅助喷气等驱动在类人机器人接触运动过程中的作用尚不清楚。例如，开启辅助驱动更方便的步行速度是多少？我们如何处理着陆影响以实现飞行和步行之间的平稳过渡？这都可以通过相关研究获得结果

广州工业大学研发飞行机器人Jet-HR2，通过涵道风机实现稳定起飞

其实不止意大利，国内也早已开启了人形飞行机器人的研发工作。今年上半年，广州工业大学就研发了一款新型具备飞行能力的仿人机器人，并初步完成了样机起飞实验。该机器人利用矢量推进控制的方法，首次实现了仿人机器人的可控起飞。

该仿人机器人被命名为Jet-HR2，自2019年开始研发，其主要目的是为了验证利用喷气推进系统提高足式机器人在复杂地形环境中的运动能力的可能性。

研发团队负责人黄之峰副教授介绍，在实际灾害场景中，救援任务往往具有急迫性，对机器人到达任务执行点的时间有非常高的要求。仿人机器人依靠步行或爬楼梯等方式移动，会受到环境障碍等的制约，尤其是要到达较高的任务执行点时。“我们的项目展示了一种全新的可能性，利用喷气推进的方式进行飞行或长距离跳跃，可以使机器人快速到达指定地点完成任务。”黄之峰说。

这款新型的仿人机器人（含电池）自重17kg，额定总推力达到190牛。整台机器人包括了10个关节，由无刷直流电机和谐波减速器驱动。四个涵道风机作为机器人的推进器，分别安装在腰部及脚掌。通过控制机器人关节实现对安装在机器人脚掌上的涵道风机推力朝向进行动态调整，最终成功抑制了机器人起飞过程中由于质量分布误差等问题造成的俯冲及自转运动，实现稳定起飞。

目前这款机器人还处于研发阶段，在飞行控制，飞行高度等方面还有很多进步空间。但随着技术的成熟，它可以利用喷气推进的方式进行飞行或长距离跳跃，使机器人快速到达指定地点完成任务。因此，这款钢铁侠飞行机器人将有更多的潜在应用方向。