圖源：佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）

 

　　在為機(jī)器人設(shè)計(jì)移動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，通常都是設(shè)計(jì)一個(gè)單一的系統(tǒng)，能讓機(jī)器人去執(zhí)行需要完成的所有任務(wù)，不論是步行、跑步、翻滾、游泳或者是組合起來的動(dòng)作都可以靠這一個(gè)移動(dòng)系統(tǒng)完成。但是，人類根本不會(huì)這么做的，如果人類遵循機(jī)器人的這種方法，那我們就得穿著一種由運(yùn)動(dòng)鞋、登山鞋、溜冰鞋和腳蹼合在一起的怪異組合。相反，我們會(huì)很明智地根據(jù)不同的情況選擇穿上不同的鞋子。

 

　　在機(jī)器人與自動(dòng)化國(guó)際會(huì)議（ICRA）上，佐治亞理工學(xué)院的研究人員展示了這種換鞋的設(shè)想是怎么應(yīng)用到機(jī)器人上的。他們不僅提出了這種使用“可切換推進(jìn)器（他們也管這個(gè)叫做機(jī)器人的鞋子）”的機(jī)器人，更重要的是，他們還成功地讓機(jī)器人使用一個(gè)小機(jī)械臂給自己換鞋。

 

　　看起來是不是很棒？機(jī)器人的鞋子，或者說推進(jìn)器，都緊緊地安裝在T形槽中，并通過幾何定向和永磁體的組合來固定。

 

　　這樣的組合構(gòu)成了一個(gè)簡(jiǎn)單的附著系統(tǒng)，雖然簡(jiǎn)單，但卻有著很強(qiáng)的附著力。同時(shí)，只要機(jī)械臂用正確的方式搖動(dòng)推進(jìn)器，只需要很小的力就可以分離開來?，F(xiàn)在這是一個(gè)完全開環(huán)的，并且切換是需要一點(diǎn)時(shí)間的——更換單個(gè)推進(jìn)器實(shí)際大約需要13秒。

 

　　這樣的切換推進(jìn)器的功能不僅需要機(jī)器人自行攜帶多種推進(jìn)器，還需要攜帶有高自由度的機(jī)械臂。不過，這個(gè)機(jī)械臂也不只是用來切換推進(jìn)器的，至少還可以做各種有用的事情。許多移動(dòng)機(jī)器人都有安裝某種的機(jī)械臂，只不過通常都是用作實(shí)際交互而不是對(duì)自身進(jìn)行調(diào)整的。經(jīng)過對(duì)結(jié)構(gòu)和自由度的調(diào)整，這些移動(dòng)機(jī)器人的機(jī)械臂也可以發(fā)揮出切換推進(jìn)器這樣的潛在能力。

 

　　這種方案帶來的復(fù)雜性是否值得呢？

 

　　從某種意義上來說，這種裝有輪和腿的機(jī)器人可以完成任何任務(wù)，并且不需要擔(dān)心怎么切換推進(jìn)器。而且事實(shí)證明，在效率方面，這種方案也帶來了實(shí)質(zhì)性的差異。

 

　　在混凝土的平坦地面上，使用輪式配置時(shí)，該機(jī)器人的運(yùn)輸成本為0.97，據(jù)研究人員說，與腿式配置相比，輪式配置在混凝土上的運(yùn)輸成本降低了大約三倍。當(dāng)然了，這種方案的最終目的還是憑借機(jī)載的各種推進(jìn)器使得機(jī)器人能夠應(yīng)對(duì)各種不同的地形。

 

圖源：佐治亞理工學(xué)院

 

　　該機(jī)器人正在使用安裝在背面的機(jī)械臂從隔層中取出推進(jìn)器并固定在車輪上

 

　　為了進(jìn)一步了解更多詳細(xì)信息，IEEE Spectrum通過電子郵件與第一作者Raymond Kim取得了聯(lián)系。

 

 

　　Raymond Kim：我們認(rèn)為這主要有兩個(gè)原因。首先，迄今為止，大多數(shù)機(jī)載機(jī)械臂的主要設(shè)計(jì)目的都是為了感知外部環(huán)境并與之交互，而不是作用于機(jī)器人本身。因此，機(jī)載機(jī)械臂可能沒辦法接觸到機(jī)器人的所有部件或者無法感知機(jī)械臂和機(jī)器人之間的相互作用。

 

　　其次，實(shí)現(xiàn)移動(dòng)需要推進(jìn)系統(tǒng)和地面之間有相對(duì)較高的力。過去，為了縮小尺寸、降低重量和功耗，車載機(jī)械手一直都是輕量級(jí)的，所以這種機(jī)械臂沒法施加很大的力。因此，想要實(shí)現(xiàn)可切換，推進(jìn)器就必須要能承受較大的機(jī)體負(fù)載，同時(shí)又易于操作，使用很小的力即可切換。

 

　　這兩個(gè)要求往往是相互矛盾的，也就產(chǎn)生了一個(gè)極具挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問題。我們?cè)贗CRA的演示中就有一個(gè)失敗案例的視頻，展示了當(dāng)設(shè)計(jì)不夠堅(jiān)固的時(shí)候會(huì)出現(xiàn)什么情況。

 

 

　　Raymond Kim：目前，系統(tǒng)自主性還僅限于在更換鞋子/推進(jìn)器的過程中機(jī)械臂的軌跡跟蹤。我們使用人工命令來啟動(dòng)換鞋動(dòng)作，換鞋的操作是腳本化的。對(duì)于完全自主的版本，我們需要一種能夠識(shí)別地形的路徑規(guī)劃算法，以便于決定何時(shí)切換推進(jìn)器。這可以通過機(jī)載感應(yīng)或者預(yù)加載的地圖來完成。

 

　　IEEE Spectrum：這個(gè)概念主要用于調(diào)整旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器，還可以應(yīng)用于其他類型的移動(dòng)系統(tǒng)嗎？

 

　　Raymond Kim：我們的設(shè)想里這個(gè)概念可以廣泛應(yīng)用于多種運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。雖然我們現(xiàn)在主要研究的是應(yīng)用在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器上，也是因?yàn)樾D(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器較為常用。但是我們也設(shè)想了以類似的方式來更改線性驅(qū)動(dòng)器的末端執(zhí)行器。同時(shí)，這些方法可以用于調(diào)整無源元件，例如在機(jī)器人的后面增加一個(gè)尾巴，在前面增加犁或者對(duì)系統(tǒng)重新配重。

 

圖源：佐治亞理工學(xué)院

 

　　目前，該機(jī)器人的推進(jìn)器是為了崎嶇地形所設(shè)計(jì)，但是研究人員正在嘗試不同的形狀，以便于能夠在雪地、沙地和水中行動(dòng)。

 

　　IEEE Spectrum：您認(rèn)為還會(huì)有什么推進(jìn)器可以改進(jìn)您的機(jī)器人呢？

 

　　Raymond Kim：我們正在探索嘗試各種各樣的推進(jìn)器。對(duì)于在陸地上的移動(dòng)，我們認(rèn)為針對(duì)雪地、沙地來進(jìn)行專門的適配是很有價(jià)值的，可能需要在車輪上添加長(zhǎng)釘或者槳。我們最初是受到海軍的啟發(fā)。海軍士兵可以使用腳蹼游到岸上，然后換上靴子在陸地上行動(dòng)。這樣的切換可以顯著提高移動(dòng)效率。想象一下，穿著靴子游泳、穿著腳蹼爬樓梯多滑稽。所以我們很期待類似的這樣切換鰭和輪腿的設(shè)計(jì)可以讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)兩棲行動(dòng)。

 

　　Raymond Kim：我們的直接關(guān)注點(diǎn)是改善現(xiàn)有的地面車輛性能。我們?cè)跈C(jī)械臂上增加了感應(yīng)功能，這樣可以更快、更牢固地切換推進(jìn)器。此外，我們正在試著根據(jù)車輛特點(diǎn)定制運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。最后，我們對(duì)于其他類型的改裝也很感興趣，包括推進(jìn)器和車輛性能的其他變化。得益于機(jī)械臂，靈活性得到了很大提升，因此我們對(duì)于基于機(jī)械臂如如何設(shè)計(jì)新型車輛也很感興趣。

 

　　佐治亞理工學(xué)院的Raymond Kim，Alex Debate， Stephen Balakirsky和Anirban Mazumdar在ICRA 2020上發(fā)表了題為“使用機(jī)械臂以實(shí)現(xiàn)自適應(yīng)地面機(jī)動(dòng)性”的文章。 （沈永強(qiáng)）