“ 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-Red和WiXus-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
