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一根绳连起两台轮腿机器人,收紧就合体,分开还能配合干活

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“一根绳,两台机器人既能合体,也能分开配合干活。

可重构机器人这个方向,大家不陌生。M-TRAN、Roombots这类模块化机器人,靠拼接模块变出不同形态,从移动扩展到操作。

不过东京大学的一支团队注意到,这类系统的模块之间大多是机械固定的连接,研究重点主要放在对接完成后作为单一身体的功能上。模块分开、散在空间里的时候,彼此之间的关系很少被当成一种可用的功能。

于是,他们在《Advanced Intelligent Systems》上发表了新工作TwinX两台轮腿机器人,用一根"体间绳"(interbody wire)连起来两台机器人既能合体,也能分开配合干活。



比如合体后拿起外卖袋,然后扔进垃圾桶:



体间绳圈住并拖运大范围垃圾:



用体间绳钩起并运输物体,以及陡坡下的力传递:



TwinX由两台硬件完全相同的轮腿机器人WiXus组成,按颜色分别叫WiXus-RedWiXus-Blue。绳子从Blue中心的卷绳模块伸出,在Red中心的阶梯螺栓上绕大约五圈,再用称人结系在前面的吊环螺母上。按欧拉皮带理论,缠绕产生的摩擦能让这个螺母基本不承受大的拉力。

用的是直径约2.0mm的迪尼玛绳,卷绳模块最大持续拉力约313N,最大收绳长度约6m。需要说明的是,论文中给出的绳子拉力都是基于电机电流标定的估计值

问题在于,绳子只能传递拉力,扛不住弯曲和扭转。所以团队在机身上加了对接接口:Blue一侧开四个孔,Red一侧装四根对接销。销直径10mm、孔径10.3mm,孔口倒圆角后扩大到16.3mm,销尖削到3.5mm,这样对位时就不需要太高的位置精度



01.

收紧绳子就合体,一套身体三种形态

绳子负责把两台机器人拉拢,并给对接面提供预紧力,再配合对接销承受弯曲和扭转,合体才稳;最终变成哪种形态,取决于选择哪两个面对接。

每台WiXus在插孔侧和插销侧各有A、B两个对接面,绳子能通过一道共用的槽在两个面之间移动。用轮腿上的俯仰关节把机身转过去,就能选择用哪个面对接。

A–A对接得到四足构型,每条腿是Roll–Pitch–Pitch结构,和常见四足机器人一样;B–B对接得到舵轮(swerve drive)构型,每个轮子能独立转向,可以全向移动;B–A对接后竖起来,Blue在下,就是一台移动操作机器人,差速两轮底盘上装着两条Yaw–Pitch–Pitch手臂。



对接过程是自主完成的。Blue停着不动,Red上的D455相机识别Blue身上的三个AprilTag标记(两个供远距离识别,一个供近距离识别),控制器先把机身开到目标位姿附近,距离误差小于0.08后切换到对准阶段,让销尖对准孔位。

Red移动过程中,Blue持续给卷绳电机一个对应约15N估计拉力的电流指令,防止绳子松掉,最后以对应约134N估计拉力的电流指令收绳完成对接。合体之后,四足构型和移动操作构型的电流指令对应约224N的估计拉力,舵轮构型对应约187N,用来防止两台机器人分开。



上真机时,两台WiXus各自跑一份完整策略,只执行属于自己那几条腿的输出,两边通过UDP交换观测数据。真机通信延迟约5ms,训练时随机加入8到40ms的延迟来模拟。如果超过2秒收不到对方数据,系统会自动停下。

户外实测中,四足形态的TwinX在草地行走、下楼梯、跨越路缘三种场景下都没有摔倒



舵轮构型的计算可以每个轮子单独完成,两台机器人之间不需要通信。团队还做了一个捡垃圾任务:先用舵轮形态开过去,解除对接、换对接面、重新对接,变成移动操作形态,两条手臂夹起垃圾丢进垃圾桶,再变回舵轮形态开走。整个任务里对接控制执行了两次,都顺利完成,两次开始时两台机器人的朝向已大致对齐。

02.

分开之后,这根绳还能兜、能钩、能拽

TwinX更有意思的地方在于,两台机器人分开后,这根绳依然是一根能主动收放的连接,可以直接拿来干活

第一个任务是"兜"。Red原地不动,Blue一边放绳一边绕着散落的垃圾开一圈,绳子碰到物体形成一个个拐点,围成多边形把垃圾圈住。由于多边形周长不一定跟着行驶距离同步增长,操作员会适时把绳速设为0,避免绳子松垮落地。圈好之后两台机器人朝同一方向开,就把大小、形状各异的一堆垃圾一次拖走了



第二个任务是"钩"。Blue放绳走位,让绳子来到三个喷壶把手下方,然后收紧绳子,两台机器人再用腿部关节抬高机身,绷紧的绳子就把三个喷壶一起钩了起来。之后Blue一边收绳一边向Red靠拢,保持喷壶被吊起的状态,最后两台机器人一起把喷壶运走。

第三个任务是"拽",模拟救援掉到崖下的小狗。Red留在上方平台当锚点,Blue沿49°的陡坡往下开,绳子以和车速大致相同的速度放出。到坡底后Blue用腿抱住毛绒狗,再往坡顶爬,过程中收绳爬升和只靠轮子调整机身倾角交替进行,尽量让机身保持水平,防止毛绒狗掉下去。

团队用简化的准静态受力分析算了一笔账:Blue重9.4kg,在49°坡上沿坡向的重力分量约69.6N。没有绳子帮忙的话,只靠轮子抓地,等效摩擦系数至少要约1.15。爬坡阶段绳子的平均估计拉力是55.1N,绳子大致沿上坡方向,约占这个重力分量的79%,剩下约14.5N由轮子承担,对应的等效摩擦系数降到约0.24

03.

绳子成了机器人身体的一部分

研究人员认为,在TwinX里,分体状态本身就是一种能发挥功能的状态,不再只是重构过程中的过渡阶段。四足、舵轮和移动操作是合体后的能力,兜、钩、拽则来自两台分开但仍连着的机器人之间的关系。

这根绳也带来了一种有别于刚性连杆和关节的设计自由度:两台机器人保持连接的同时,距离、相对位置和拉力都能变化,于是身体除了"完全刚性合体"和"完全独立"两种极端,还能处在中间的分布式构型。

团队下一步计划扩展到更多机器人、更多根绳的系统,研究按任务规划状态切换,并引入直接测量拉力和闭环控制,对两个身体之间的力学关系做更连续的调节。

论文链接:https://doi.org/10.1002/aisy.70559

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