迈向第一个飞行的人形机器人

在研究技术的研究所(IIT)最近一直在探索，创造类人机器人能飞的迷人的想法。然而，为了有效地控制飞行机器人、物体或车辆的运动，研究人员需要能够可靠地估计螺旋桨产生的推力强度的系统，从而使它们能够在空中移动。

由于推力难以直接测量，因此通常根据机载传感器收集的数据进行估算。IIT的团队最近推出了一个新框架，可以估计未配备推力测量传感器的飞行多体系统的推力强度。该框架发表在IEEERoboticsandAutomationLetters上的一篇论文中，最终可以帮助他们实现他们设想的飞行类人机器人。

“我们在2016年左右提出了制造飞行类人机器人的早期想法，”进行这项研究的人工智能和机械智能实验室负责人DanielePucci告诉TechXplore。“主要目的是设想可以在类似灾难的情况下运行的机器人，在这种情况下，幸存者可以在部分毁坏的建筑物内进行救援，而这些建筑物由于周围可能发生洪水和火灾而难以到达。”

Pucci和他的同事最近工作的主要目标是设计一个可以操纵物体、在地面上行走和飞行的机器人。由于许多人形机器人既可以操纵物体又可以在地面上移动，因此该团队决定扩展人形机器人的功能，使其包括飞行;而不是开发全新的机器人结构。

“一旦具备飞行能力，人形机器人就可以从一座建筑物飞到另一座建筑物，避免碎片、火灾和洪水，”普奇说。“着陆后，他们可以操纵物体打开门和关闭气阀，或走进建筑物进行室内检查，例如寻找火灾或自然灾害的幸存者。”

最初，Pucci和他的同事试图为IIT创造的著名人形机器人iCub提供在地面上保持身体平衡的能力，例如单脚站立。一旦他们做到了这一点，他们就开始致力于拓宽机器人的运动技能，使其也可以在空中飞行和移动。该团队将他们一直关注的研究领域称为“空中人形机器人”。

“据我们所知，我们制作了第一部关于飞行类人机器人的作品，”普奇说。“那篇论文显然只是在模拟环境中测试飞行控制器，但鉴于有希望的结果，我们开始了设计iRonCub的旅程，这是我们最新论文中提出的第一个喷气动力人形机器人。”

研究人员创建的推力估计框架显着简化了飞行机器人的设计并降低了制造成本，因为它不需要在推动机器人的每个喷气发动机上安装力传感器。该框架不是使用力传感器数据来估计推力，而是将两种不同的信息源组合到一个单独的估计过程中。

该框架使用的第一个信息源来自一个模型，该模型将发送到喷气发动机的命令与产生的推力相关联。这是一个数据驱动的模型，根据研究人员收集的数据进行训练。

“我们首先建立了一个特别的实验装置，它看起来很像一个防火和防弹室，用于放置喷气发动机并安全地运行实验，”普奇说。“然后，通过使用此设置，我们从喷气发动机收集了输入/输出数据，并选择了描述发动机行为的模型。为此，我们以我们之前的一项工作为基础。”

团队框架用来估计推力的第二个信息来源是整个机器人的所谓“质心动量”。这是机器人专家用来开发类人系统来控制和估计他们的运动的著名价值。

“例如，如果使用得当，这个值可以表征潜水员跳下悬崖的动作，”普奇说。“换句话说，它可以用来关联起飞前后机器人运动的原因(即推力)和影响(例如起飞时的垂直加速度)。”

开发iRonCub的团队。图片来源：IstitutoItalianodiTecnologia。

如果单独使用它们，团队框架使用的两个信息源都会有很大的局限性。例如，如果喷气发动机始终以完全相同的方式运行，他们使用的数据驱动模型只能准确估计推力。然而，喷气发动机的性能可能因各种不同的环境因素而异。

“另一方面，第二种方法不使用内部喷气机信息，”普奇说。“因此，我们使用卡尔曼滤波将两种方法结合起来以克服它们各自的缺点。值得注意的是，我们的估计方法独立于飞行类人机器人的特定性质，可用于为任何飞行多体机器人设计的飞行控制器。”

为了评估他们的框架的有效性，Pucci和他的同事在一个新开发的机器人iRonCub上对其进行了测试，iRonCub是集成喷气发动机的iCub机器人的进化版本。虽然该团队已经在这个机器人上工作了一段时间，但他们直到最近才能够展示其全套功能。

“处理喷气式机器人并不是一件容易的事，因为喷气式空气温度可能达到700摄氏度，空气速度可能具有超音速特征，流速约为1800公里/小时，”普奇解释说。“出于这个原因，我们制定了严格的实验程序和协议，使我们能够安全地使用iRonCub。在这方面，我们的研究团队必须克服一些与经典机器人研究相去甚远但更接近于那些与传统机器人研究相关的问题和问题。航空电子设备。”

虽然到目前为止研究人员只在他们的人形机器人iRonCub上测试了推力估计框架，但它也可以应用于其他具有不同身体结构的飞行机器人。这包括可重新配置的飞行机器人，可以改变形状或配置以执行特定操作的系统。

“无论如何，估算推力的问题对于成功飞行至关重要，”普奇说。“此外，除了飞行类人机器人在类似灾难场景中的未来应用之外，我们相信我们的工作可以应用于比飞行类人机器人更简单的设计，包括喷气式飞行箱。”

如果应用于喷气动力飞行箱，研究人员开发的推力估计框架可以为在偏远地区运送各种产品(包括食品和药品)开辟新的机会。如果获得或科学基金会的资助，Pucci和他的同事们希望更深入地探索这种可能的应用。

同时，该团队计划继续开发iRonCub，专注于其飞行能力。他们的希望是最终推出第一个能够进行地面和空中运动的可靠且高性能的人形机器人。

“在我们的实验室中，我们有几个研究团队来处理与人形机器人相关的不同主题，”普奇说。“iRonCub团队专注于空中仿人机器人的长期、中期和短期研究方向。从长远来看，我们团队的两名研究人员AntonelloPaolino和FabioDiNatale正在研究计算流体动力学模型将机器人空气动力学集成到iRonCub飞行控制中。另一方面，FabioBergonti将专注于将这些模型集成到未来派飞行类人机器人的控制架构中，这些机器人根据周围的空气动力学调整其形状，就好像机器人是一个变压器。”

作为中期研究目标，Pucci的两位同事AffafMomin和HosameldinAwadalla计划改进他们使用人工智能(AI)和数据驱动计算工具创建的推力估计框架。随后，他们的同事GiuseppeL'Erario将专注于将这些算法集成到控制器中，以统一机器人的行走、操纵、跑步、起飞和水平飞行策略。

“最后，作为短期目标，PunithReddy将专注于让iRonCub不受限制，”Pucci补充道。“在实验层面，我们的iRonCubScrum大师GabrieleNava专注于处理iRonCub首次成功飞行的所有集成活动，包括垂直起飞和着陆。后一个短期计划非常具有挑战性，但我相信我们有足够的知识和意愿来实现这个重要的里程碑，迟早。”

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