iron cub机器人。信用:意大利技术研究所。意大利理工学院(IIT)的研究人员最近一直在探索一个迷人的想法，那就是创造会飞的人形机器人。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，这使得它们能够在空中移动。由于推力难以直接测量，通常根据机载传感器收集的数据进行估算。IIT的研究小组最近引入了一个新的框架，该框架可以估算没有安装推力测量传感器的飞行多体系统的推力。这一框架发表在《IEEE机器人和自动化快报》上的一篇论文中，最终可以帮助他们实现他们所设想的飞行人形机器人。
“我们制造飞行人形机器人的早期想法是在2016年左右提出的，”进行这项研究的人工和机械智能实验室负责人丹尼尔·普奇告诉TechXplore。“主要目的是构思能够在类似灾难的场景中操作的机器人，在这些场景中，有幸存者在部分被毁的建筑内进行救援，由于周围可能发生洪水和火灾，这些建筑很难到达。”
普奇和他的同事最近工作的主要目标是设计一种能够操纵物体、在地面行走和飞行的机器人。由于许多人形机器人既能操纵物体，又能在地面上移动，研究小组决定将人形机器人的能力扩展到包括飞行；而不是开发全新的机器人结构。
普奇说:“一旦具备飞行能力，人形机器人就可以从一栋建筑飞到另一栋建筑，躲避碎片、火灾和洪水。“着陆后，他们可以操纵物体打开门和关闭气阀，或者在建筑物内行走进行室内检查，例如寻找火灾或自然灾害的幸存者。”
最初，普奇和他的同事们试图为在IIT创造的著名人形机器人iCub提供在地面平衡身体的能力，例如单脚站立。一旦他们做到了这一点，他们就开始努力拓宽机器人的运动技能，这样它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人形机器人的作品，”普奇说。“那篇论文显然只是在模拟环境中测试飞行控制器，但考虑到有希望的结果，我们开始了设计iRonCub的旅程，这是我们最新论文中介绍的第一个喷气式人形机器人。”
研究人员创建的推力估算框架大大简化了飞行机器人的设计，降低了制造成本，因为它不需要在推进机器人的每个喷气发动机上安装力传感器。该框架将两种不同的信息源结合成一个单一的估算过程，而不是使用力敏传感器数据来估算推力。
iron cub机器人。信用:意大利技术研究所。该框架使用的第一个信息来源是一个模型，该模型将发送到喷气发动机的命令与产生的推力联系起来。这是一个数据驱动的模型，是基于研究人员收集的数据进行训练的。
普奇说:“我们首先建造了一个特别的实验装置，看起来很像一个防火防弹的小室，用来放置喷气发动机和进行实验。”。“然后，通过使用这个设置，我们收集了喷气发动机的输入/输出数据，并选择了描述发动机行为的模型。为了做到这一点，我们在之前的一部作品的基础上进行了改进。”
团队框架用来估算推力的第二个信息来源是整个机器人的所谓“质心动量”。这是机器人学家用来开发人形系统以控制和估计其运动的一个自有值。
“举例来说，如果使用得当，这个值可以表征潜水员从悬崖上跳下的动作，”普奇说。换句话说，它可以用来联系起飞前后机器人运动的原因(即推力)和影响(如起飞时的垂直加速度)
开发iRonCub的团队。信用:意大利技术研究所。如果它们被单独使用，团队框架使用的两个信息源都会有很大的局限性。例如，如果喷气发动机总是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，基于各种不同的环境因素，喷气发动机的性能可能会有所不同。
“另一方面，第二种方法不使用内部喷气信息，”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，我们的估算方法独立于飞行人形机器人的特定性质，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，普奇和他的同事在一个新开发的名为iRonCub的机器人上进行了测试，这是带有集成喷气发动机的iCub机器人的进化。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它的全套功能。
普奇解释说:“与喷气动力机器人打交道并不是一件容易的事情，因为喷气空气温度可能达到700摄氏度，空气速度可能具有超音速特征，流动速度约为1800公里/小时。“出于这个原因，我们开发了严格的实验程序和协议，使我们能够安全地与iRonCub合作。在这方面，我们的研究团队不得不克服几个问题和议题，这些问题和议题与经典机器人研究的问题和议题相去甚远，而与航空电子设备的问题和议题更为接近。”
虽然研究人员迄今为止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来执行特定动作的系统。
“在任何情况下，估算推力的问题对于成功飞行都是至关重要的，”普奇说。“此外，除了飞行人形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人形机器人更简单的设计，包括喷气动力飞行箱。”
如果应用于喷气动力飞行箱，研究人员开发的推力估算框架可以为在偏远地区交付各种产品，包括食品和药品，打开新的机会。如果他们得到了欧盟或科学基金会的资助，普奇和他的同事们会更深入地探索这种可能的应用。
与此同时，该团队计划继续研究iRonCub，重点是其飞行能力。他们的希望是最终推出第一个可靠的高性能人形机器人，能够在地面和空中移动。
普奇说:“在我们的实验室里，我们有几个研究团队，他们处理与人形机器人相关的不同课题。“iRonCub团队正在关注空中人形机器人的长期、中期和短期研究方向。从长远来看，我们团队中的两位研究人员，安托内洛·保利诺和法比奥·迪·纳塔莱，正在研究机器人空气动力学的计算流体动力学模型，以集成到iRonCub飞行控制中。另一方面，Fabio Bergonti将专注于将这些模型集成到未来飞行人形机器人的控制架构中，这些机器人会根据周围的空气动力学调整其形状，就像机器人是一个变压器一样。”
作为中期研究目标，普奇的两位同事，阿法夫·莫明和霍萨梅尔丁·阿瓦达拉，计划改进他们利用人工智能和数据驱动的计算工具创建的推力估算框架。随后，他们的同事朱塞佩·拉里奥将专注于将这些算法集成到控制器中，统一机器人的行走、操纵、奔跑、起飞和水平飞行策略。
“最后，作为一个短期目标，普尼思·雷迪将专注于让铁虎不受束缚，”普奇补充道。“在实验层面，我们的iRonCub scrum大师Gabriele Nava正专注于处理首次成功iRonCub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，迟早会实现这一重要里程碑。”
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