當(dāng)為機(jī)器人設(shè)計移動系統(tǒng)時，目標(biāo)通常是設(shè)計一個單一的系統(tǒng)，讓你的機(jī)器人做你可能想得到的所有事情，不管是行走、跑步、滾動、游泳，還是這些事情的組合。不過，這根本不是人類的做法：如果人類仿效機(jī)器人模型，我們恐怕會穿上某種多功能鞋子，如登山靴、旱冰鞋、滑雪板和腳蹼的組合版本鞋到處走動。相反，我們會做一些更加明智的事情，通過穿上不同的鞋子來優(yōu)化我們的行動系統(tǒng)。

在ICRA，佐治亞理工學(xué)院（Georgia Tech）的研究人員展示了一款移動機(jī)器人，可以看出這種換鞋方式是如何應(yīng)用到機(jī)器人身上的。他們不僅發(fā)明了一種可以使用“可交換推進(jìn)器”的機(jī)器人，就像他們所說的機(jī)器人的鞋子一樣，更重要的是，他們已經(jīng)成功地用一只可愛的小機(jī)器人手臂實現(xiàn)了機(jī)器人的互換。

該機(jī)器人可以給自己換“鞋子”來適應(yīng)不同的地形。小型輪式機(jī)器人換上新鞋，化身越野能手。并且研究人員正在嘗試不同的形狀“鞋子”，以便于能夠在雪地、沙地和水中行動。相信不久之后就可以實現(xiàn)輪腿切換，地形無礙呢。

這太棒了，是不是？

機(jī)器人的鞋子，或許，該稱作推進(jìn)器的東西，緊密地安裝在輪子上的t形槽中，并且通過幾何定位和永久磁鐵的組合來保證安全。這就產(chǎn)生了一個相當(dāng)簡單的附著系統(tǒng)，只要機(jī)械手以正確的方式搖動滑靴，就具有高的夾持力和較低的分離力。目前這一切都是open loop的，替換一個推進(jìn)器大約需要13秒。

盡管這確實需要機(jī)器人自己攜帶推進(jìn)器，意味著它必須攜帶一個相當(dāng)高自由度的機(jī)械手，但機(jī)械手至少可以用于其他各種有用的事情。許多移動機(jī)器人已經(jīng)有了一種或另一種機(jī)械手，盡管它們通常用于世界交互而不是自我修改。通過對結(jié)構(gòu)或自由度進(jìn)行一些調(diào)整，移動機(jī)械手也有可能利用可交換推進(jìn)器。

如果你想知道這個額外的復(fù)雜性是否值得，從這個意義上說，一個具有永久輪腿的機(jī)器人可以做這個機(jī)器人所做的一切，而不必?fù)?dān)心手臂或推進(jìn)器的交換，結(jié)果證明這對效率有很大的影響。在平板混凝土上的輪式結(jié)構(gòu)中，機(jī)器人的運(yùn)輸成本為0.97，研究人員稱“與混凝土上的腿形結(jié)果相比，這大約降低了三倍。”當(dāng)然，這個想法是，最終，機(jī)器人將能夠處理更廣泛的地形，應(yīng)用更加廣泛。

Photos: Georgia Tech
The robot uses a manipulator mounted on its back to retrieve the propulsors from a compartment and attach them to its wheels.

更多細(xì)節(jié)，我們（作者，以下簡稱我）通過電子郵件聯(lián)系了第一作者Raymond Kim。

IEEE Spectrum：人類總是通過換鞋完成不同的事情，在你看來，為什么這以前沒有應(yīng)用到機(jī)器人身上？

Raymond Kim：在我們看來，有兩個原因。首先，迄今為止，大多數(shù)車載機(jī)械手的設(shè)計主要是為了感知外部世界，而不是與機(jī)器人進(jìn)行交互。因此，車載機(jī)械手可能無法接觸到機(jī)器人的所有部分或感知手臂和車身之間的交互作用。第二，運(yùn)動涉及到推進(jìn)系統(tǒng)和地面之間相對較大的力。車載機(jī)械手歷來都是輕量化的，以盡量減少尺寸、質(zhì)量和功耗。因此，這種操縱器不能施加很大的力。任何可更換的推進(jìn)器必須既能承受大的機(jī)車載荷，又能很容易地適應(yīng)低操縱力。這兩個需求經(jīng)常互相矛盾，這就產(chǎn)生了一個具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計問題。我們的ICRA演示有一個失敗的視頻，演示了當(dāng)設(shè)計不夠完善時會發(fā)生什么。

該系統(tǒng)現(xiàn)在有多大的自主權(quán)？

目前，自主性僅限于機(jī)械手在換靴/推進(jìn)器過程中的軌跡跟蹤。我們根據(jù)人的指令發(fā)起換鞋，換鞋操作是一個腳本化的軌跡。對于完全自主的版本，我們需要一個能夠識別地形的路徑規(guī)劃算法，以便確定何時適應(yīng)。這可以通過感應(yīng)或預(yù)裝地圖來實現(xiàn)。

這個概念主要是用來改造旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的，還是它對其他類型的機(jī)動性系統(tǒng)也有好處？

我們設(shè)想這一概念可以應(yīng)用于廣泛的運(yùn)動系統(tǒng)。雖然我們關(guān)注旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器是因為它們的共同用途，但是我們想象用類似的方式改變線性執(zhí)行器上的末端執(zhí)行器。此外，這些方法還可以用來修改被動組件，比如在機(jī)器人的后面加一個尾巴，在前面加一個犁，或者重新分配系統(tǒng)的質(zhì)量。

你認(rèn)為你的機(jī)器人還能從哪些推進(jìn)器中受益？

我們很高興能探索各種各樣的推進(jìn)器。對于陸地運(yùn)動，我們認(rèn)為更適合雪地或沙地的適應(yīng)性將是很有價值的。這些可能涉及到通過增加釘子或槳來修改車輪。此外，我們最初的動機(jī)是應(yīng)用于海軍作戰(zhàn)。海軍人員可以用腳蹼游到岸邊，然后換上靴子在陸地上操作。這種開關(guān)能顯著提高效率。想象一下穿著靴子游泳，或者用腳蹼爬樓梯！我們期待類似的設(shè)計，在鰭和輪子/腿之間切換，以幫助適應(yīng)兩棲行為。

下一步要做什么呢？

我們當(dāng)前的重點是提高現(xiàn)有地面車輛的性能。我們正在為arm增加傳感能力，這樣就可以更快地進(jìn)行推進(jìn)器交換，并具有更強(qiáng)的穩(wěn)定性。此外，我們正在尋找與我們車輛的獨(dú)特功能相適應(yīng)的運(yùn)動規(guī)劃算法。最后，這可能涉及可更換推進(jìn)器或?qū)囕v屬性進(jìn)行其他更改。操縱創(chuàng)造了極大的靈活性，我們對如何設(shè)計新型車輛以利用基于操縱的適應(yīng)性非常感興趣。

來自喬治亞理工學(xué)院的Raymond Kim、Alex detain、Stephen Balakirsky和Anirban Mazumdar在ICRA 2020上發(fā)表了“Using Manipulation to Enable Adaptive Ground Mobility”的相關(guān)研究成果。

原文標(biāo)題：小輪機(jī)器人穿上新鞋準(zhǔn)備越野啦

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