早在 2019 年 2 月，加州理工学院开发了一种名为 Leonardo 的类人机器人。LEO 将轻巧的双足腿与安装在躯干上的推进器相结合，其强大到足以将整个机器人抬离地面，这可以轻松处理地面动态平衡，同时还可以进行一些巧妙的空中动作。

在今天发表在Science Robotics 上的一篇论文中，加州理工学院的研究人员让我们了解了过去几年他们一直在用 LEO 做的事情，它现在可以滑板、放松，并以异常优雅的着陆进行精致的空中跳跃。

你在这里看到的 LEO 版本与两年前第一次见到的版本有很大不同。最重要的是，虽然“Leonardo”曾经代表“LEg ON Aerial Robotic DrOne”，但现在代表“LEgs ONboARD drOne”，这可能是第一个甚至是中等成功的重新命名。否则，机器人已经完全重新设计，此处看到的版本与 2019 版本在硬件或软件方面共享零部件，因为它比新机器人更有限——旧设计有希望，但它不能真的走路，推进器只对跳跃增强有用，而不是持续飞行。

为了让新的 LEO 能够飞行，它现在拥有由轻型伺服电机驱动的重量更轻的支腿。推进器已从两个同轴螺旋桨更改为四个倾斜螺旋桨，可实现全方位的姿态控制。现在一切都在机上，包括计算机、电池和新的软件堆栈。

拥有两种以上运动模式的生物必须学习并掌握如何在它们之间正确切换。例如，鸟类在飞行和行走这两种运动模式的过渡界面上会经历复杂而有趣的行为。同样，莱昂纳多机器人通过同步控制分布式螺旋桨推进器和腿关节，实现飞行和行走模式之间的平滑过渡。特别是，LEO 机器人在着陆前遵循平滑的飞行轨迹到达着陆点。然后将向前着陆速度与选择的步行速度相匹配，当一只脚接触地面时触发步行阶段。着陆后，机器人通过跟踪其行走轨迹继续行走。状态机在 LEO 板上运行，以实现这些平滑的转换，

Leo 如何巧妙地解决一些双足机器人最困难的问题，包括动态平衡和穿越大的高度变化，这真是太酷了。Leo 还可以做两足动物（或人类）无法做的事情，例如短距离飞行。不过，作为双足机器人和无人机的多模式混合体，需要注意的是，Leo 的设计也包括一些重大的妥协。机器人必须非常轻便才能飞行，这限制了它在不使用推进器辅助的情况下作为两足动物的效率。而且由于它的大部分平衡都需要推进器的主动输入，因此相对于无人机和其他双足机器人来说，它的效率非常低。

在地面行走时，LEO（重 2.5 公斤，高 75 厘米）吸收 544 瓦功率，其中 445 瓦用于螺旋桨，99 瓦用于电子设备和腿部。飞行时，LEO的功耗几乎翻倍，但明显快得多——机器人以20cm/s的速度行走时的运输成本（衡量自身运动效率的指标）为108，飞行时降至15.5 3 m/s。将此与普通人的运输成本（远低于 1）或典型的四足机器人（低个位数）的运输成本进行比较。我们见过的最高效的人形机器人 SRI 的 DURUS的运输成本约为 1，而传闻中像 Atlas 这样的机器人的运输成本接近 20。

从长远来看，这种低效率对 LEO 来说可能是一个问题，因为它的电池寿命只有大约 100 秒的飞行时间或 3.5 分钟的步行时间。但是，Soon-Jo Chung 解释说，效率还不是优先考虑的问题，为了提高 LEO 的性能，还有更多的工作可以做，尽管总是有一些妥协：

LEO 的极端平衡能力是以螺旋桨持续运行为代价的，这导致比基于腿的地面机器人更高的能耗。然而，这种螺旋桨的稳定性允许使用低功率的腿伺服电机和具有灵活性的轻型腿，这是一种设计选择，可以最大限度地减少 LEO 的整体重量，以提高其飞行性能。

通过进行不同的设计权衡，有可能提高能源效率的方法。例如，LEO 可以通过采用有限的脚来获得更好的稳定性或更高功率的 [腿] 电机，以实现关节驱动的扭矩控制，从而在减少螺旋桨支撑的情况下行走，这将允许快速准确地跟踪足部位置以稳定步行步态。在这种情况下，螺旋桨可能只有在腿不能在地面上保持稳定时才需要打开，而不必连续运行。这些解决方案会导致重量增加并导致飞行机动期间更高的能耗，但它们会降低步行时的能耗。在 LEO 的情况下，我们的目标是实现平衡的空中和地面移动能力，我们选择了轻便的腿。

在其发展的这个阶段，加州理工学院的研究人员主要关注 LEO 的移动系统，但他们希望让 LEO 在世界上做有用的事情，这几乎肯定意味着赋予机器人自主权和操纵能力。目前，LEO 并不是特别自主，因为它遵循预定义的路径，并且不会自行决定是否应该使用步行或飞行来穿越给定的障碍物。但是研究人员已经在研究 LEO 可以通过视觉和机器学习自主做出这些决定的方法。

至于操纵，新版本的 LEO 可以附加轻量级操纵器，这些操纵器与它的腿和伺服电机具有相似的连杆设计，以扩大它可以执行的任务范围”，目标是“实现广泛的仅使用地面或空中机器人难以完成的一系列机器人任务。

也许最适合 LEO 的应用是那些涉及与高空结构的物理交互的应用，这通常对人类工人来说是危险的，并且可能会使用机器人工人。例如，高架桥的高压线路检查或监控可能是 LEO 的良好应用，并且 LEO 具有可用于此类目的的车载摄像头。在此类应用中，传统的双足机器人难以到达现场，而标准的多旋翼无人机在高干扰环境中存在稳定性问题。LEO 利用地面接触的优势，与标准多旋翼相比，更能抵抗风等外部干扰。这将提高机器人在室外环境中操作的安全性，其中 LEO 可以保持与刚性表面的接触。

看看 LEO 或多或少绕过双足机器人技术中的许多挑战的能力，并思考它在双足机器人往往难以应对的地方如何发挥作用的能力也很诱人。但重要的是要记住，由于其多模式设计中固有的妥协，LEO 可能最适合非常具体的任务，这些任务可以最直接地利用它特别擅长的东西。高压线路和桥梁检查是一个良好的开端，您可以轻松想象其他需要稳定性和垂直敏捷性的检查任务。