迪士尼机器人使用火箭来着陆

很难想出比从天上掉下来更戏剧化的入场方式了。 虽然这种事在银幕上经常发生，但它是否能在现实生活中做到对我们的娱乐来说是一个诱人的挑战 机器人技术 迪士尼研究团队。

跌倒很棘手，原因有两个。 第一个也是最明显的就是道格拉斯·亚当斯所说的“最后的突然停止”。 自由落体的每一秒都意味着另外 9.8 m/s 的速度，这很快就会导致极其困难的能量耗散问题。 跌倒的另一个棘手问题是，我们控制方向的正常方法消失了，特别是对于像我们这样的陆生动物来说。 我们习惯于依靠身体和环境之间的接触力来控制我们指向的方向。 在空气中，除了空气本身之外，没有任何东西可以推动！

找到这些问题的解决方案是一项巨大的、开放性的挑战。 在下面的剪辑中，您可以看到我们为开始解决这个问题而采取的一种方法。

视频显示了一个小型棒状机器人，其顶部安装有四个涵道风扇。 该机器人有一个类似活塞的脚，可以吸收小跌落的冲击力，然后涵道风扇通过空气动力推力抵消任何倾斜运动，使机器人保持站立。

拉斐尔·皮隆 [left] Marcela de los Rios 评估独脚架平衡机器人的性能。迪士尼研究

站立部分表明，推动空气不仅在自由落体过程中有用。 传统的步行和跳跃机器人依靠地面接触力来保持所需的方向。 由于系统的刚度，这些力可能会迅速增加，因此需要高带宽控制策略。 空气动力相对较弱，但即便如此，也足以让我们的机器人保持站立。 由于这些力也可以在跑步或跳跃的飞行阶段施加，因此这种方法可能会导致机器人在行走之前先跑。 定义跑步步态的是“飞行阶段”的存在，即双脚均不与地面接触的时期。 具有空气动力学控制权的跑步机器人可能会使用长飞行阶段的步态。 这会将控制工作的负担转移到飞行途中，简化腿部设计，并可能使快速的双足运动比中等速度更容易控制。

理查德·兰登 (Richard Landon) 使用测试装置评估涵道风扇的推力剖面。迪士尼研究

在下一个视频中，一个稍大的机器人从 65 英尺高的空中完成了更为戏剧性的坠落。 这个简单的机器有两个类似活塞的脚，顶部有类似的管道风扇阵列。 风扇不仅能在机器人着陆时稳定机器人，还能帮助机器人在跌落时保持正确的方向。 每只脚的内部都有一个一次性可压缩泡沫塞。 撞击时压碎泡沫可提供良好的恒定力分布，从而最大限度地提高每英寸收缩所耗散的能量。

就这个小机器人而言，活塞中的机械能耗散小于下落所需耗散的总能量，因此机构的其余部分受到了相当大的打击。 在这种情况下，机器人的尺寸是一个优势，因为缩放定律意味着强度重量比对其有利。

部件的强度是其横截面积的函数，而部件的重量是其体积的函数。 面积与长度的平方成正比，而体积与长度的立方成正比。 这意味着随着物体变小，它的重量也会变得相对较小。 这就是为什么幼儿的身高可以达到成人的一半，但体重却只有成人的一小部分，这也是为什么蚂蚁和蜘蛛可以用又长又细的腿跑来跑去。 我们的微型机器人利用了这一点，但如果我们想代表一些更大的角色，我们就不能止步于此。

路易斯·兰比和迈克尔·林奇组装了一个早期的涵道风扇测试平台。 该平台安装在导丝上，用于提升能力测试。迪士尼研究

在大多数空中机器人应用中，控制由能够支撑机器人全部重量的系统提供。 在我们的例子中，能够悬停并不是必需的。 下面的剪辑显示了对控制相当大、重型机器人的方向需要多少推力的调查。 机器人由万向节支撑，使其能够自由旋转。 末端安装有管道风扇阵列。 风扇没有足够的力量将框架保持在空中，但他们确实对方向有很大的控制权。

复杂的机器人在受到直接地面撞击的极高加速度时不太可能毫发无伤，正如您在早期测试中看到的那样，该测试并没有完全按计划进行。

无论是使用水还是火箭燃料，火箭的原理都是一样的——质量从火箭中高速喷射出来，根据牛顿第三定律产生相反方向的反作用力。 流速越高、流体密度越大，产生的力就越大。 为了获得高流量和快速响应时间，我们需要一个宽喷嘴，可以在几毫秒内从关闭到完全打开。 我们设计了一个系统，使用一块铜箔和一个定制的打孔机构来实现这一点。

格兰特·今原 (Grant Imahara) 对测试罐加压以评估早期阀门原型 [left]。 正在运行的水火箭 – 注意通过专门设计的喷嘴时两英寸宽的层流迪士尼研究

一旦水火箭将机器人带到半空中，管道风扇就能够将其稳定地悬停在甲板上方约十英尺的地方。 当他们退出时，机器人再次跌倒，腿部吸收了冲击力。 在视频中，机器人连接了几根松散的绳索作为测试预防措施，但它们不提供任何支撑、动力或指导。

“今天它可以直接用于什么方面可能还不是那么明显，但这些粗略的概念验证实验表明，我们也许能够在现实世界的物理范围内完成我们的角色在大屏幕，并有一天真正着陆，”项目负责人托尼·多希 (Tony Dohi) 解释道。

未来的项目仍有大量问题需要解决。 大多数角色的腿在铰链上弯曲，而不是像活塞那样压缩，并且不佩戴由涵道风扇制成的腰带。 除了包装和形式问题之外，确保机器人准确着陆在其打算着陆的地方对于感知和控制也具有有趣的影响。 无论如何，我们认为我们可以确认这种入口具有相当大的影响力（如果你能原谅我用双关语的话）。