以喷气发动机为动力的iCub或成为第一个飞行人型机器人

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以喷气发动机为动力的iCub或成为第一个飞行人型机器人

2017-12-07

作者：埃文·阿克曼（Evan Ackerman）
翻译：关文君

在科幻小说中，我们经常看到可以飞行的机器人。无论是类人型机器人还是采用机器外骨骼，似乎把步行机器人变成飞行机器人的方法是在四肢上附着推进器，就像钢铁侠一样，“咻”地一下飞走。科幻小说充斥着这样情节的原因在于构想飞行机器人非常有趣，你可以想象出各种引人注目的应用，甚至比外星人入侵更夺人眼球。
事实上，科幻小说中的飞行机器人可能也会出现在现实生活中。意大利技术研究所（IIT）的研究人员正在努力实现这一点。他们开发的iCub人型机器人，装载了使用四台喷气发动机的控制系统。
通过在手和脚上安装喷气发动机让iCub实现悬停和飞行听起来有点牵强。但从根本上说，这只是另一种多模式运动，只不过它是应用于人型机器人，而不是我们更常见的混合平台。有很多机器人将飞行功能与其他类型的运动结合起来，以提高效率和多功能性，那么为什么不把它应用于人型机器人呢？确实，目前在空中操纵方面正在进行大量工作——使用无人机（有时是载有多重武器的无人机）直接与周围的世界互动。那么在操作方面最棒的是什么呢？当然是人型机器人！所以我们让它们飞起来！
在提交给IEEE《机器人与自动化》（RA-L）的文章中，来自IIT的达妮埃莱·普奇（Daniele Pucci），西尔维奥·特朗维萨罗（Silvio Traversaro）和弗朗切斯科·诺里（Francesco Nori）提出了“开发非自由飞行人型机器人控制框架的第一步”。他们的想法是“将人型机器人和飞行机器人更紧密地结合在一起，从而获得很强的技术优势：结合了两种机器人的平台具有飞行、接触运动和操作的能力。”
强调一下，此处被作者称之的第一步，确实是第一步。到目前为止，他们所建立的是一个基本的控制框架，可以依靠来自位于机器人手脚部的模拟喷气发动机的推力来控制模拟的iCub机器人。研究人员没有考虑空气动力学的影响，或任何其他实际的喷气式飞行的iCub需要处理的问题。这些都是之后才需要考虑的事情。目前，目标是使用仿真来验证论文中描述的控制算法具有合理的抗建模误差的鲁棒性，这对于真正机器人的最终实现非常必要。
以下是我们与第一作者达妮埃莱·普奇的访谈：
IEEE Spectrum：您在哪里得到飞行iCub的灵感？
达妮埃莱·普奇：四年前，当我第一次到达IIT时，我想出了这个想法。在我攻读博士期间，我为飞行器开发了统一的控制方法，其中底层的飞行机器人是单个刚体。所以当我第一次看到人型机器人iCub时，我想到：如何将我的博士论文中基于单个刚体的理论扩展应用于多体铰接式的飞行器，比如iCub？一切从这个问题开始。
在这篇论文中，您说“把人型机器人和飞行机器人结合在一起带来了很大的益处”。您可以更详细地说说吗？飞行人型机器人将为我们带来什么样的好处？
我相信好处很多。一是技术上的好处。空中的人形机器人将空中操作扩展到更强大、更节能的水平。事实上，空中操作通常由装载了机器人手臂的四轮机构来实现。这些机器人不能通过与环境接触所产生的力来移动，并且它们在操作物体时经常在有风的环境中飞行，同时需要精确的位置控制来完成操作任务。因此，飞行的人型机器人增加的手部可以建立机器人与环境之间的接触点，从而使机器人位置控制更简单、更强大。
另一个是对于社会的好处。我相信空中人形机器人可以用于人类飞行外骨骼的试验台。理查德·布朗宁（Richard Browning）最近的成功显示了这些未来实现的外骨骼的工程可行性。不过，我们还有很长的一段路要走。我们可以用飞行的人型机器人来推动这个进程，避免在人类身上的大量试验。我们已经邀请布朗宁到IIT讨论促进飞行外骨骼，他对我们关于飞行人型机器人的工作非常感兴趣。
最后还有对科学的益处：依我愚见，控制飞行的人型机器人会产生一系列理论和实践的问题。例如，包括操作、接触运动和飞行的总体控制框架还未建立，并且人型机器人的接触运动期间辅助（喷气）制动的作用尚不明朗。例如，步行速度为多少时可以更节能地开启辅助动作？我们如何处理着陆，使得飞行和步行之间能够顺利过渡？
您的下一步工作是什么，您认为何时可将喷气发动机连接到一个iCub机器人，看看它是否能够按预期飞行？
在理论层面，我还有一些想要解决的问题，比如机器人骨盆（或另一个通用机器人框架）的参考框架的融合。此外，我正在研究人型机器人方面的空气动力学。如果我们想为机器人装备翼进行有效的横向飞行，这将是至关重要的。那么，控制设计中的空气动力学将是最大的理论问题之一。
但是，为使其实际运作，还有别的问题需要考虑。表征喷气式制动、检查iCub在该压力下的扭矩控制、并验证惯性传感器在高振动水平下是否正常工作是我设想的未来主要挑战之一。现在，我已经成为IIT一个研究团队的负责人，我称之为LOCOMotion控制实验室，所以我的研究时间非常紧张。然而，想制定一份时间表，主要问题是为空中人型机器人寻找资金。我相信，一旦资金到位，在一年半的时间里，我们可能会实现iCub的部分盘旋功能，但一切都取决于开始时间。
我们感谢达妮埃莱的答案。如果有任何人想要资助这个项目，敬请联系神盾局、斯塔克工业公司，汉默工业公司等等。让我们使这个机器人离开地面。
原文链接：
https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/humanoids/jet-powered-icub-could-be-the-first-flying-humanoid-robot