摩根·波普（Morgan Pope）是斯坦福大学生物仿生学和手部操作实验室的博士生，研究生活在空中和地面运动边界的机器人。

上去的东西必须下来，除非它能首先栖息在某个东西上。由于电池容量的限制和小规模飞行的物理特性，四旋翼机器人的续航能力有限，但栖息可以让它们在静止状态下运行数小时甚至数天，收集数据或执行通信任务。栖息可能很棘手，因为你的无人机降落在正确位置的几率很低。增加爬升的能力可以让你的无人机更准确地重新定位，还有一个额外的好处是，如果风太大不适合飞行，它也能发挥作用。

在斯坦福大学的仿生学和灵巧操纵实验室，我们看到了一个机会，将我们在栖息和攀爬方面的经验与一个能够在非结构化户外环境中进行多模式操作的新机器人相结合。其结果是斯坦福攀爬和空中操纵平台，这个词的集合让我们有理由称我们的机器人为SCAMP。

SCAMP是第一个结合了飞行、栖息与被动附着技术和攀爬的机器人。它还可以从攀爬失败中恢复，以及在准备好再次飞行时起飞。它在户外完成所有这些工作，只使用板载传感和计算，利用我们以前所有的攀爬机器人、我们最近在栖息方面的工作以及大自然的经验。

攀爬

在过去的十年中，我们已经开发了一系列的攀爬机器人，使用定向粘合剂来创造平滑、可靠的攀爬步态。安装在顺应性悬架上的硬化钢刺，我们称这种硬化钢刺为微刺，这是我们最初的定向粘合剂，它们使Spinybot和RiSE能够攀爬粗糙的表面。随后，我们开发了壁虎胶，使其能够在玻璃上定向粘附，并导致了Stickybot I、II和III机器人的诞生。随着我们对定向粘附和攀爬的理解不断完善，我们能够将Stickybot机器人小型化，变成一个9克重的机器人，能够将100倍于自身重量的物体拉上墙壁。这是通过使用一个紧凑、强大的反馈控制系统和在简单的一维轨迹上移动的两只脚之间的交替负载实现的。

我们吸取了这些经验，并在微刺的背景下重新应用它们来创造SCAMP的攀爬机制。我们使用了同样的紧凑、强大的反馈控制装置，以及同样的在两只脚之间传递负载的策略，但由于我们追求的是可操作性而不是承载能力，所以我们将其设计成更长的冲程长度（9厘米/步而不是1.2厘米/步）。

我们还了解到，由于混凝土和灰泥不像玻璃窗那样平整和可预测，所以我们增加朝向和远离墙壁的运动对这个墙壁机器人有帮助的。最终的结果是一个攀爬机制，它使用一个高扭矩密度的反馈控制电机来驱动长的台阶上墙，还有一个更小的反馈控制电机来驱动朝向和远离墙壁的运动。这两个舵机，加上碳纤维框架和带刺的脚，重量只有11克。实际上，我们采用了9克重的微型玻璃攀爬器，对其进行了速度而不是负载能力的修改，给它一个额外的舵机来处理二维的表面轮廓，为它配备了微刺，并把它绑在一个小小的四旋翼上。

SCAMP的腿部设计让人联想到许多攀爬的昆虫，从盲蛛到螳螂，这不是偶然的。动物希望有长而有效的步伐，但却受制于它们四肢的重量。当我们进入昆虫的领域时，异体缩放法则意味着长而薄、几乎没有重量的腿成为首选的解决方案。SCAMP还没有达到昆虫的大小，但是这个机器人已经足够小了，现代工程材料如碳纤维和防弹纤维（Spectra）让我们能够制造出和攀爬昆虫一样长且重量轻的腿。

飞行和栖息

一个好的攀爬机制并不是最佳的栖息机制，这意味着我们必须重新考虑将其固定在墙上的方法。以前，我们曾在户外使用固定翼机器人栖息，在室内使用四旋翼机器人和运动捕捉系统。在这两种情况下，飞行器在接近完成时都失去了控制权，这意味着我们必须设计一个悬架来吸收冲击力，在四旋翼机器人的情况下，还必须设计一个可以抵抗任何方向的负载的对置抓取系统。在自然界中，动物在整个栖息过程中使用空气动力，这也是我们为SCAMP采取的方法。

我们把SCAMP的攀爬机制放在四旋翼的顶部，这样旋翼就可以主动把机器人压到墙上。当我们把它与作为支点的长尾巴结合起来时，我们就有了一个能够利用空气动力将自己可靠地推到墙上的系统。

为了栖息，我们以尾部为中心飞向墙壁，直到我们使用机载加速度计检测到撞击。然后我们将转子推力调到最大。这个问题的几何形状几乎可以保证SCAMP最终会把它的爬升装置压在目标表面上。转子使SCAMP的脚保持接触，直到冲击的振动有机会消退。然后，随着微刺的啮合，我们可以关闭转子并开始爬升。

多模式运行的协同效应

我们不得不重新调整栖息策略是一个例子，说明将两种非常不同的运动模式放在一起需要一定程度的妥协。然而，我们发现，这些妥协被我们的飞行和爬升模式之间一些有趣的新的协同作用所抵消。

虽然SCAMP的旋翼最初看起来像是攀爬装置拉上墙的死物，但我们很快就知道，它们可以在我们沿着表面的运动中发挥很大的作用。当SCAMP错过了它的抓地力并开始下降时，它注意到突然的垂直加速度并短暂地打开它的转子。这个动作将它推回到墙上，这样它就可以继续攀爬，而我们也可以省去到机器人中转的麻烦。 当然，大自然首先发现了这一点，即使是不会飞的动物也能利用空气动力从攀爬失败中恢复过来，比如亚诺维亚克、杜德利和卡斯帕里研究的雨林蚂蚁，它们在跌倒后用腿和躯干引导自己回到最近的树干上。

转子也可以用来帮助SCAMP的微刺与墙壁接触。 对于SCAMP来说，攀登垂直表面的最大挑战之一是机器人的质量中心不可避免地悬臂远离墙壁，这意味着脚需要产生一些粘着力，以保持机器人不向后倾斜。然而，如果我们把SCAMP的转子打开一点，我们就可以从空气动力学上补偿这个俯仰力矩，这就使脚的工作大大简化了。在这里，自然界又一次打败了我们，最引人注目的是丘卡山鹑，它利用自己的翅膀使自己有能力跑上垂直的柱子，否则它永远无法攀登。对SCAMP来说，像这样的自然类似物很容易找到：动物本来就是多模式的，从飞鼠到啄木鸟，大量的动物在飞行、栖息和攀爬之间交替进行，以优化其树栖运动策略。

飞行和攀爬的力量

延长任务寿命是栖息的主要动机，所以我们把SCAMP与电流表连接起来，以计算出由于它能够被动地挂在墙上，它到底能运行多长时间。SCAMP的微处理器有点耗电，仅仅通过时间就消耗了100多毫安。一个更有效的模型可以很容易地在两个数量级的功率下运行，但我们使用的四旋翼电子装置并没有对耗电进行优化，因为与飞行所需的多个安培相比，它没有什么区别。即便如此，专门的栖息可以轻松地将任务寿命从3分钟延长到2小时。

目前，飞行是SCAMP的一种比攀登更节能的旅行方式。这更多的是我们的反馈控制装置系统和我们的耗电的微处理器的一些粘性的功能，而不是任何基本规律。事实上，人们期望爬升在一般情况下更有效率，因为你不必像飞行时那样做加速空气分子的额外工作。不管最终的效率如何，栖息和攀爬比单独栖息要精确和可靠得多，特别是如果你想让你的机器人在某个确切的地方。比如说，正确的有利位置或更好的信号。这也意味着，重新定位不需要起飞和重新栖息这些更危险的动作。一个很好的比喻是飞行和驾驶之间的关系：一架现代宽体客机的效率大约为每名乘客每加仑100英里，但如果你试图用它来从你家到杂货店，你会遇到问题。效率的提高被精度的损失以及起飞和降落的成本所抵消，就像栖息机器人的情况一样。

未来的工作。自适应步态和SCAMP家族

展望未来，SCAMP有很多事情要做，但我们还没有时间去实现。例如，我们可以使用两个舵机来调整SCAMP的步态，以补偿表面的粗糙度和湿滑度。对于湿滑的表面，较短的冲程长度会更可靠，因为在冲程过程中，俯仰力矩的变化较小。对于相对光滑且主要有负 "坑 "作为立足点的表面，将脚保持在一个非常平坦的轨迹上，可以最大限度地提高我们找到好的抓地力的机会，特别是在立足点很少和很远的地方。相反，对于有很多颠簸的粗糙表面，最好限制双脚在墙边移动的时间。在未来的工作中，我们希望为SCAMP实现自适应步态控制。该算法允许机器人通过动态改变其攀爬策略对失败做出反应。这是一个机器学习可能成为强大的实时工具的地方，正确的算法甚至可能产生我们以前没有想到的有效步态。

我们还认为SCAMP是不同规模和附着策略的整个栖息和攀爬机器人家族的起点。我们从SCAMP中学到的经验应该使我们能够处理新的表面、新的环境，以及具有新的传感和通信能力的不同四旋翼平台。 同时，SCAMP将继续尽其所能，藐视地心引力，往上爬而不下来。

附外：

SCAMP：斯坦福攀登和空中操纵平台

将飞行和攀爬能力结合起来是一个至少和Archaeopteryx一样古老的想法，但人工系统现在才能够实现。斯坦福大学的攀爬和空中操纵平台，或SCAMP，是第一个能够飞行、被动栖息、攀爬和起飞的机器人。它在混凝土和灰泥等粗糙表面上进行户外操作，只使用机载传感和计算。在这段视频中，我们展示了SCAMP的一些功能，包括其混合能力所特有的新功能，如通过及时应用转子推力从爬升失败中自动恢复。

SCAMP的CAD模型与机器人的爆炸图和照片。

栖息可以使四旋翼飞机在一次充电的情况下无限期地保持在高空；爬升可以使我们精确地操纵到数据收集或通信的最佳位置。制作SCAMP需要学习我们以前所有的爬升机器人，并将我们以前的栖息策略翻转过来--真的。结果是一个部分是啄木鸟，部分是长腿老爹，部分是蜂鸟的机器人--BDML生物启发机器人家族的最新成员。

SCAMP的机械辅助栖息策略。

为了栖息，SCAMP尾部先飞向墙壁。它检测到撞击时的加速度尖峰，并将其转子转到最大。尾巴作为一个支点，SCAMP以空气动力学的方式附着在墙上，同时它的脚也找到了好的地方来抓紧。

SCAMP爬墙

通过在它的双脚之间交替加载（这里显示为红色和蓝色），SCAMP能够爬上墙。SCAMP将没有负载的脚沿着表面拖动，直到它遇到一个立足点。这就消除了啮合脚上的张力，然后释放。

SCAMP的恢复策略

如果SCAMP错过了一个台阶，它的板载加速度计就会检测到由此产生的自由落体，转子就会卷起，轻轻地把机器人推回到表面上。然后，它的脚就会重新与墙壁啮合，它就可以继续爬行。

SCAMP使用机械辅助旋转的方式恢复飞行

当SCAMP准备恢复飞行时，它将其舵机旋转到一个特殊的位置（在正常的攀爬过程中没有看到），以展开 "起飞脊柱"。当负载从啮合的脚转移到这个脊柱上时，它将SCAMP旋转到远离地面的地方。一旦SCAMP向后倾斜了几度，转子就开始启动到正常的飞行水平，机器人就可以恢复空中作业。

栖息、爬升、故障恢复和起飞的图解顺序