国外研发出自动换“鞋”移动机器人 化身越野能手

图源：佐治亚理工学院（Georgia Tech） 　　在为机器人设计移动系统时，通常都是设计一个单一的系统，能让机器人去执行需要完成的所有任务，不论是步行、跑步、翻滚、游泳或者是组合起来的动作都可以靠这一个移动系统完成。但是，人类根本不会这么做的，如果人类遵循机器人的这种方法，那我们就得穿着一种由运动鞋、登山鞋、溜冰鞋和脚蹼合在一起的怪异组合。相反，我们会很明智地根据不同的情况选择穿上不同的鞋子。 　　在机器人与自动化国际会议（ICRA）上，佐治亚理工学院的研究人员展示了这种换鞋的设想是怎么应用到机器人上的。他们不仅提出了这种使用“可切换推进器（他们也管这个叫做机器人的鞋子）”的机器人，更重要的是，他们还成功地让机器人使用一个小机械臂给自己换鞋。 　　看起来是不是很棒？机器人的鞋子，或者说推进器，都紧紧地安装在T形槽中，并通过几何定向和永磁体的组合来固定。 　　这样的组合构成了一个简单的附着系统，虽然简单，但却有着很强的附着力。同时，只要机械臂用正确的方式摇动推进器，只需要很小的力就可以分离开来。现在这是一个完全开环的，并且切换是需要一点时间的——更换单个推进器实际大约需要13秒。 　　这样的切换推进器的功能不仅需要机器人自行携带多种推进器，还需要携带有高自由度的机械臂。不过，这个机械臂也不只是用来切换推进器的，至少还可以做各种有用的事情。许多移动机器人都有安装某种的机械臂，只不过通常都是用作实际交互而不是对自身进行调整的。经过对结构和自由度的调整，这些移动机器人的机械臂也可以发挥出切换推进器这样的潜在能力。 　　这种方案带来的复杂性是否值得呢？ 　　从某种意义上来说，这种装有轮和腿的机器人可以完成任何任务，并且不需要担心怎么切换推进器。而且事实证明，在效率方面，这种方案也带来了实质性的差异。 　　在混凝土的平坦地面上，使用轮式配置时，该机器人的运输成本为0.97，据研究人员说，与腿式配置相比，轮式配置在混凝土上的运输成本降低了大约三倍。当然了，这种方案的最终目的还是凭借机载的各种推进器使得机器人能够应对各种不同的地形。 
图源：佐治亚理工学院 　　该机器人正在使用安装在背面的机械臂从隔层中取出推进器并固定在车轮上 　　为了进一步了解更多详细信息，IEEE Spectrum通过电子邮件与第一作者Raymond Kim取得了联系。 　　IEEE Spectrum：一直以来人类都是通过换不同的鞋子去做不同的事情，您认为为什么此前这样的方法从未应用在机器人上呢？ 　　Raymond Kim：我们认为这主要有两个原因。首先，迄今为止，大多数机载机械臂的主要设计目的都是为了感知外部环境并与之交互，而不是作用于机器人本身。因此，机载机械臂可能没办法接触到机器人的所有部件或者无法感知机械臂和机器人之间的相互作用。 　　其次，实现移动需要推进系统和地面之间有相对较高的力。过去，为了缩小尺寸、降低重量和功耗，车载机械手一直都是轻量级的，所以这种机械臂没法施加很大的力。因此，想要实现可切换，推进器就必须要能承受较大的机体负载，同时又易于操作，使用很小的力即可切换。 　　这两个要求往往是相互矛盾的，也就产生了一个极具挑战性的设计问题。我们在ICRA的演示中就有一个失败案例的视频，展示了当设计不够坚固的时候会出现什么情况。 　　IEEE Spectrum：目前系统中有多高的自主性？ 　　Raymond Kim：目前，系统自主性还仅限于在更换鞋子/推进器的过程中机械臂的轨迹跟踪。我们使用人工命令来启动换鞋动作，换鞋的操作是脚本化的。对于完全自主的版本，我们需要一种能够识别地形的路径规划算法，以便于决定何时切换推进器。这可以通过机载感应或者预加载的地图来完成。 　　IEEE Spectrum：这个概念主要用于调整旋转驱动器，还可以应用于其他类型的移动系统吗？ 　　Raymond Kim：我们的设想里这个概念可以广泛应用于多种运动系统。虽然我们现在主要研究的是应用在旋转驱动器上，也是因为旋转驱动器较为常用。但是我们也设想了以类似的方式来更改线性驱动器的末端执行器。同时，这些方法可以用于调整无源元件，例如在机器人的后面增加一个尾巴，在前面增加犁或者对系统重新配重。 
图源：佐治亚理工学院 　　目前，该机器人的推进器是为了崎岖地形所设计，但是研究人员正在尝试不同的形状，以便于能够在雪地、沙地和水中行动。 　　IEEE Spectrum：您认为还会有什么推进器可以改进您的机器人呢？ 　　Raymond Kim：我们正在探索尝试各种各样的推进器。对于在陆地上的移动，我们认为针对雪地、沙地来进行专门的适配是很有价值的，可能需要在车轮上添加长钉或者桨。我们最初是受到海军的启发。海军士兵可以使用脚蹼游到岸上，然后换上靴子在陆地上行动。这样的切换可以显著提高移动效率。想象一下，穿着靴子游泳、穿着脚蹼爬楼梯多滑稽。所以我们很期待类似的这样切换鳍和轮腿的设计可以让机器人实现两栖行动。
　　IEEE Spectrum：您接下来要做什么呢？ 　　Raymond Kim：我们的直接关注点是改善现有的地面车辆性能。我们在机械臂上增加了感应功能，这样可以更快、更牢固地切换推进器。此外，我们正在试着根据车辆特点定制运动规划算法。最后，我们对于其他类型的改装也很感兴趣，包括推进器和车辆性能的其他变化。得益于机械臂，灵活性得到了很大提升，因此我们对于基于机械臂如如何设计新型车辆也很感兴趣。 　　佐治亚理工学院的Raymond Kim，Alex Debate， Stephen Balakirsky和Anirban Mazumdar在ICRA 2020上发表了题为“使用机械臂以实现自适应地面机动性”的文章。 （沈永强）