圖源：喬治亞理工學院（Georgia Tech）
在為
機器人設計移動系統時，通常都是設計一個單一的系統，能讓機器人去執行需要完成的所有任務，不論是步行、跑步、翻滾、遊泳或者是組合起來的動作都可以靠這一個移動系統完成。但是，人類根本不會這麼做的，如果人類遵循機器人的這種方法，那我們就得穿著一種由運動鞋、登山鞋、溜冰鞋和腳蹼合在一起的怪異組合。相反，我們會很明智地根據不同的情況選擇穿上不同的鞋子。
在機器人與自動化國際會議（ICRA）上，喬治亞理工學院的研究人員展示了這種換鞋的設想是怎麼
應用到機器人上的。他們不僅提出了這種使用「可切換推進器（他們也管這個叫做機器人的鞋子）」的機器人，更重要的是，他們還成功地讓機器人使用一個小機械臂給自己換鞋。
看起來是不是很棒？機器人的鞋子，或者說推進器，都緊緊地安裝在T形槽中，並通過幾何定向和永磁體的組合來固定。
這樣的組合構成了一個簡單的附著系統，雖然簡單，但卻有著很強的附著力。同時，只要機械臂用正確的方式搖動推進器，只需要很小的力就可以分離開來。現在這是一個完全開環的，並且切換是需要一點時間的——更換單個推進器實際大約需要13秒。
這樣的切換推進器的功能不僅需要機器人自行攜帶多種推進器，還需要攜帶有高自由度的機械臂。不過，這個機械臂也不只是用來切換推進器的，至少還可以做各種有用的事情。許多移動機器人都有安裝某種的機械臂，只不過通常都是用作實際交互而不是對自身進行調整的。經過對結構和自由度的調整，這些移動機器人的機械臂也可以發揮出切換推進器這樣的潛在能力。
這種方案帶來的複雜性是否值得呢？
從某種意義上來說，這種裝有輪和腿的機器人可以完成任何任務，並且不需要擔心怎麼切換推進器。而且事實證明，在效率方面，這種方案也帶來了實質性的差異。
在混凝土的平坦地面上，使用輪式配置時，該機器人的運輸成本為0.97，據研究人員說，與腿式配置相比，輪式配置在混凝土上的運輸成本降低了大約三倍。當然了，這種方案的最終目的還是憑藉機載的各種推進器使得機器人能夠應對各種不同的地形。
圖源：喬治亞理工學院
該機器人正在使用安裝在背面的機械臂從隔層中取出推進器並固定在車輪上
為了進一步了解更多詳細信息，IEEE Spectrum通過電子郵件與第一作者Raymond Kim取得了聯繫。
IEEE Spectrum：一直以來人類都是通過換不同的鞋子去做不同的事情，您認為為什麼此前這樣的方法從未應用在機器人上呢？
Raymond Kim：我們認為這主要有兩個原因。首先，迄今為止，大多數機載機械臂的主要設計目的都是為了感知外部環境並與之交互，而不是作用於機器人本身。因此，機載機械臂可能沒辦法接觸到機器人的所有部件或者無法感知機械臂和機器人之間的相互作用。
其次，實現移動需要推進系統和地面之間有相對較高的力。過去，為了縮小尺寸、降低重量和功耗，車載機械手一直都是輕量級的，所以這種機械臂沒法施加很大的力。因此，想要實現可切換，推進器就必須要能承受較大的機體負載，同時又易於操作，使用很小的力即可切換。
這兩個要求往往是相互矛盾的，也就產生了一個極具挑戰性的設計問題。我們在ICRA的演示中就有一個失敗案例的
視頻，展示了當設計不夠堅固的時候會出現什麼情況。
IEEE Spectrum：目前系統中有多高的自主性？
Raymond Kim：目前，系統自主性還僅限於在更換鞋子/推進器的過程中機械臂的軌跡跟蹤。我們使用人工命令來啟動換鞋動作，換鞋的操作是腳本化的。對於完全自主的版本，我們需要一種能夠識別地形的路徑規划算法，以便於決定何時切換推進器。這可以通過機載感應或者預加載的地圖來完成。
IEEE Spectrum：這個概念主要用於調整旋轉驅動器，還可以應用於其他類型的移動系統嗎？
Raymond Kim：我們的設想裡這個概念可以廣泛應用於多種運動系統。雖然我們現在主要研究的是應用在旋轉驅動器上，也是因為旋轉驅動器較為常用。但是我們也設想了以類似的方式來更改線性驅動器的末端執行器。同時，這些方法可以用於調整無源元件，例如在機器人的後面增加一個尾巴，在前面增加犁或者對系統重新配重。
圖源：喬治亞理工學院
目前，該機器人的推進器是為了崎嶇地形所設計，但是研究人員正在嘗試不同的形狀，以便於能夠在雪地、沙地和水中行動。
IEEE Spectrum：您認為還會有什麼推進器可以改進您的機器人呢？
Raymond Kim：我們正在探索嘗試各種各樣的推進器。對於在陸地上的移動，我們認為針對雪地、沙地來進行專門的適配是很有價值的，可能需要在車輪上添加長釘或者槳。我們最初是受到海軍的啟發。海軍士兵可以使用腳蹼遊到岸上，然後換上靴子在陸地上行動。這樣的切換可以顯著提高移動效率。想像一下，穿著靴子遊泳、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計可以讓機器人實現兩棲行動。
IEEE Spectrum：您接下來要做什麼呢？
Raymond Kim：我們的直接關注點是改善現有的地面車輛性能。我們在機械臂上增加了感應功能，這樣可以更快、更牢固地切換推進器。此外，我們正在試著根據車輛特點定製運動規划算法。最後，我們對於其他類型的改裝也很感興趣，包括推進器和車輛性能的其他變化。得益於機械臂，靈活性得到了很大提升，因此我們對於基於機械臂如如何設計新型車輛也很感興趣。
喬治亞理工學院的Raymond Kim，Alex Debate， Stephen Balakirsky和Anirban Mazumdar在ICRA 2020上發表了題為「使用機械臂以實現自適應地面機動性」的文章。 （沈永強）