20小时前 两台机器人悬空抬起了“伤员”，把腿当手，还能变身拖车｜东京大学

作者：Ally     出品：机器人大讲堂

绳驱并联机器人（CDPR）又有了新用法。

东京大学的研究团队提出了一套叫TwinX的系统。两台轮腿机器人之间连一根“机间绳”（inter-body wire），再各自把绳子挂到周围的柱子上，就组成了一个能同时驱动两个浮动连杆的绳驱并联系统。

真机实验中，这对搭档先用无人机把绳子挂到天花板的柱子上，然后悬在半空，把腿当手臂用，从腰部和腿部两点托起假人放到担架上：

最后收绳变成车辆形态，把担架拖走：

论文已被IEEE Robotics and Automation Letters接收。

01.

绳驱机器人的“单人”难题

CDPR的原理不复杂：从多个绞盘引出绳索连到末端执行器，调节每根绳的长度和张力，就能控制末端的位置和姿态。

绳子能传递的力最高可以到它的断裂强度，长度又能达到几十米，所以这类系统能在很大的工作空间里输出很大的力。比如CoGiRo用多根绳把一个箱形末端挂在框架上，装上机械臂后可以在仓库这么大的三维空间里作业；Pylos把3D打印头当作末端，打印空间达到13.6×9.4×3.3米。近年还出现了“环境锚定”式CDPR：机器人自己带着绞盘，把绳子挂到树木、柱子上来驱动自身。

不过这些系统大多只驱动单个末端。托举、搬运大件物体往往需要多点支撑，让多台机器人协作是一条思路。麻烦在于，CDPR的每个末端都要好几根绳，绳子又横跨大片工作空间，末端一多，绳与绳、绳与本体之间就容易互相干涉，布线设计也越来越难。此前也有相关尝试，比如两台机械臂在同一根共享绳索上移动，或者基于等效机构的双臂系统，但它们的运动都只能沿直线，没有用上CDPR工作空间大、自由度高的优势。

02.

一根机间绳，换来更大的可行空间

TwinX的做法是在两个本体之间加一根绳。

团队先用一个简化模型展示效果。在二维平面上，把两个本体看作质点，每个质点各用两根绳连到上方的环境锚点。然后在两者之间加一根机间绳，看两个本体的哪些位置组合能在重力作用下保持静力平衡。

结果显示，加了机间绳之后，可行的位置组合明显变多（图中绿色区域），在多种对称和非对称的高度条件下都能看到这个趋势。

论文强调，效果的来源在于这根新增的绳连在两个本体之间。如果改用一根新的环境锚定绳来获得类似的拉力方向，就得在环境里再找一个锚点，而且这根绳很容易穿过本体或其他绳所在的区域。机间绳直接把另一台机器人当作连接对象，在提供额外拉力方向的同时，不会和本体或其他绳干涉。作者也指出，真实系统受平台姿态范围、绳张力上下限等约束，实际可用的工作空间会比理想模型小。

硬件上，TwinX由两台结构相同的轮腿机器人WiXus组成，按颜色分别叫WiXus-Blue和WiXus-Red，每台都带有电脑、电池和相机。机间绳由Blue上的卷绳模块收放，最大连续张力约400N。每台机器人最多可以向环境引出4根绳，对应卷绳模块的最大连续张力约120N。把绳挂到环境里的工作由“飞行锚”自主完成，飞行锚就是无人机加锚具的组合。

在地面上时，轮腿负责移动；被绳吊到空中后，轮腿不用再支撑身体，可以当手臂去操作物体。收紧机间绳，两台机器人还能对接成一体，不过这部分不是本文的重点。

03.

两台机器人，共用一个雅可比

控制方面，团队把两台机器人当作一个整体来建模：所有绳的张力通过雅可比矩阵W，映射为两台机器人受到的共12维力旋量。W是分块结构，两台机器人各自连到环境的绳分别占一块，机间绳则在两块里都出现，两边的方向正好相反。所有量都定义在RTAB-Map的同一个地图坐标系下。

控制分三部分。首先，根据每台机器人重心与目标位置的偏差，用PD控制算出参考速度；然后把参考速度换算成绳的速度，做比例反馈；重力补偿项则通过一个带张力上下限约束的二次规划求解。

实际运行时，两台机器人各自在本机完成定位和控制计算，再通过UDP交换定位结果和雅可比分量，这样双方维护的是同一个全系统雅可比。UDP通信线程运行在200Hz，主控制线程50Hz；在实验用的同一个Wi-Fi网络下，往返延迟平均4.1ms，最大5.9ms。每台机器人都会算出所有绳的指令，但只执行自己负责的那部分，机间绳由Blue负责。目标位置通过摇杆给定。

04.

实测：挂绳、抬人、拖担架

团队先在MuJoCo里做了仿真。4个锚点分别设在(±1.5, ±1.0, 2.0)处，目标点之间用最小加加速度（min-jerk）轨迹插值。测试分成两组对比：两台机器人保持相对位置（keep）和改变相对位置（change）；正在移动（MOVE）和停在目标点（HOLD）。

结果显示，控制器整体上能跟上目标位置序列，没有出现控制崩溃。误差较大的时段，都出现在目标位置接近或超出当前布线可行范围的时候。

位置误差大致在0.1米量级。这个精度不够做精细定位，但对粗略搬运、拖拽这类任务够用。另外，keep和change、MOVE和HOLD之间，误差特性没有明显差别。

真机实验模拟了一个救援场景：天花板上固定着4根柱子，地上放着一个重5kg、高150cm的假人和一副担架，担架事先已经用Red引出的绳子连好。

第一阶段，4个飞行锚用基于RGB-D相机的方法，把两台机器人各自的两根绳挂到4根柱子上。所有飞行锚都由Red负责观测和控制。

第二阶段使用4根环境绳加1根机间绳，一共5根绳。两台机器人悬在空中，用腿托住假人的腰部和腿部，把它转移到担架上。

数据显示，Blue跟踪得比较好，Red有部分时段跟踪不足，指令张力在100N的软件上限处饱和。作者做了估算：每台WiXus重9.4kg，环境绳是斜拉的，竖直分量按1/√3近似，扣掉两台机器人的自重后，在120N的硬件上限下净载荷约9.5kg，在100N的软件上限下约4.7kg。这个数值和5kg的假人很接近，与观察到的张力饱和相符。

第三阶段由操作员手动控制，执行与挂绳相反的动作，把绳从柱子上解开，再收回绳子，飞行锚也跟着一起回收。第四阶段，TwinX收紧机间绳变成车辆形态，再卷收Red的绳，把担架拖走。

这次实验的意义在于把现场布绳、支撑目标、转移、运输串成了同一个系统里的完整流程。用飞行锚挂绳时，实际能同时使用的绳数量很有限，而TwinX在4根环境绳这样的现实条件下，实现了两个浮动体的多点支撑和运输。