當(dāng)為機(jī)器人設(shè)計(jì)移動(dòng)系統(tǒng)時(shí)，目標(biāo)通常是設(shè)計(jì)一個(gè)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(dòng)、游泳，還是這些事情的組合。不過(guò)，這根本不是人類(lèi)的做法：如果人類(lèi)仿效機(jī)器人模型，我們恐怕會(huì)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(dòng)。相反，我們會(huì)做一些更加明智的事情，通過(guò)穿上不同的鞋子來(lái)優(yōu)化我們的行動(dòng)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(dòng)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(shuō)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(ài)的小機(jī)器人手臂實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的互換。

該機(jī)器人可以給自己換“鞋子”來(lái)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(dòng)。相信不久之后就可以實(shí)現(xiàn)輪腿切換，地形無(wú)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(guò)幾何定位和永久磁鐵的組合來(lái)保證安全。這就產(chǎn)生了一個(gè)相當(dāng)簡(jiǎn)單的附著系統(tǒng)，只要機(jī)械手以正確的方式搖動(dòng)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(gè)推進(jìn)器大約需要13秒。

盡管這確實(shí)需要機(jī)器人自己攜帶推進(jìn)器，意味著它必須攜帶一個(gè)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(dòng)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(guò)對(duì)結(jié)構(gòu)或自由度進(jìn)行一些調(diào)整，移動(dòng)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(gè)額外的復(fù)雜性是否值得，從這個(gè)意義上說(shuō)，一個(gè)具有永久輪腿的機(jī)器人可以做這個(gè)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(duì)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(gè)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(jiǎn)稱我）通過(guò)電子郵件聯(lián)系了第一作者Raymond Kim。

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

Raymond Kim：在我們看來(lái)，有兩個(gè)原因。首先，迄今為止，大多數(shù)車(chē)載機(jī)械手的設(shè)計(jì)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(chē)載機(jī)械手可能無(wú)法接觸到機(jī)器人的所有部分或感知手臂和車(chē)身之間的交互作用。第二，運(yùn)動(dòng)涉及到推進(jìn)系統(tǒng)和地面之間相對(duì)較大的力。車(chē)載機(jī)械手歷來(lái)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(chē)載荷，又能很容易地適應(yīng)低操縱力。這兩個(gè)需求經(jīng)常互相矛盾，這就產(chǎn)生了一個(gè)具有挑戰(zhàn)性的設(shè)計(jì)問(wèn)題。我們的ICRA演示有一個(gè)失敗的視頻，演示了當(dāng)設(shè)計(jì)不夠完善時(shí)會(huì)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(guò)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(gè)腳本化的軌跡。對(duì)于完全自主的版本，我們需要一個(gè)能夠識(shí)別地形的路徑規(guī)劃算法，以便確定何時(shí)適應(yīng)。這可以通過(guò)感應(yīng)或預(yù)裝地圖來(lái)實(shí)現(xiàn)。

這個(gè)概念主要是用來(lái)改造旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的，還是它對(duì)其他類(lèi)型的機(jī)動(dòng)性系統(tǒng)也有好處？

我們?cè)O(shè)想這一概念可以應(yīng)用于廣泛的運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)。雖然我們關(guān)注旋轉(zhuǎn)執(zhí)行器是因?yàn)樗鼈兊墓餐猛荆俏覀兿胂笥妙?lèi)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(lái)修改被動(dòng)組件，比如在機(jī)器人的后面加一個(gè)尾巴，在前面加一個(gè)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(duì)于陸地運(yùn)動(dòng)，我們認(rèn)為更適合雪地或沙地的適應(yīng)性將是很有價(jià)值的。這些可能涉及到通過(guò)增加釘子或槳來(lái)修改車(chē)輪。此外，我們最初的動(dòng)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(kāi)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(lèi)似的設(shè)計(jì)，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(diǎn)是提高現(xiàn)有地面車(chē)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(chē)輛的獨(dú)特功能相適應(yīng)的運(yùn)動(dòng)規(guī)劃算法。最后，這可能涉及可更換推進(jìn)器或?qū)?chē)輛屬性進(jìn)行其他更改。操縱創(chuàng)造了極大的靈活性，我們對(duì)如何設(shè)計(jì)新型車(chē)輛以利用基于操縱的適應(yīng)性非常感興趣。

來(lái)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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