《Advanced Intelligent Systems》：Interbody Wire for Reconfigurable Robots: Bridging Integrated Morphological Reconfiguration and Distributed Wire-Mediated Cooperation
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摘要翻译：
可重构机器人通过改变机体构型来应对多样化任务，包括运动与物体操作。尤其是模块化机器人，通过将多个机体单元连接成各种结构来扩展机体功能。然而，这些单元通常是机械固定的，其功能主要集中在对接后作为单一机体发挥作用。本研究提出TwinX机器人系统，在该
摘要翻译：
可重构机器人通过改变机体构型来应对多样化任务，包括运动与物体操作。尤其是模块化机器人，通过将多个机体单元连接成各种结构来扩展机体功能。然而，这些单元通常是机械固定的，其功能主要集中在对接后作为单一机体发挥作用。本研究提出TwinX机器人系统，在该系统中，单根体间线缆（interbody wire）将对接状态下的集成形态重构与分离状态下分布式机体间的功能关联连接起来。TwinX由通过该线缆连接的两个轮腿机器人组成，并通过收绕线缆实现对接与重构。即使两个机体处于分布式状态，同一根线缆仍可用于物体操作与力传递。真实机器人实验展示了对接状态下的四足运动（quadrupedal locomotion）和横摆驱动运动（swerve-drive locomotion），以及利用移动机械臂构型进行的物体操作。实验结果还展示了分布式状态下的包围（enclosure）、钩取（hooking）和力传递（force transmission）任务。这些结果表明，体间线缆将机体构型变化所实现的功能扩展延伸至包含分布式机体关系。此外，该研究将体间线缆定位为区别于刚性连杆和关节的机器人机体设计要素，因为它能够实现机体单元之间持续的、可变长度的、基于张力的关系。
论文解读：
**一、研究背景与问题提出**
可重构机器人通过改变机体结构来应对多样化任务，其中模块化机器人通过连接多个机体单元构成不同构型，实现了从运动到物体操作的功能扩展。然而，在传统模块化机器人研究中，机体单元之间的连接大多假设为机械固定，研究焦点集中在对接后作为单一机体所展现的功能。在这种框架下，改变机体构型可以切换单一机体的运动模式或操作模式，但难以利用保持空间分布的机体单元之间的关系作为功能来源。另一方面，机体功能的扩展不仅可以通过单一机体的重构实现，还可以利用空间中多个分布式机体之间的关系——例如从两个分离点对目标物体施加作用、通过机体间的力传递将一方的动作传递给另一方，或利用空间展开的机体布局本身执行任务——这些功能是单一刚性集成机体难以获得的。因此，为更全面地把握机体功能扩展的可能性，有必要将对接后的单一机体与保持连接关系的多个分布式机体一同视为功能的承载者。基于此，本研究以两机一体一线缆作为最小构型，系统性地探讨体间关系所生成的功能。研究人员提出了TwinX系统：两个轮腿机器人通过单根可主动收放的体间线缆连接，既能实现对接状态下的集成形态重构，也能在分离状态下保持功能性的物理连接。
**二、研究内容与核心贡献**
TwinX系统的核心设计在于：单根体间线缆同时承担对接状态下的形态重构驱动和分离状态下的分布式协作功能。在对接状态下，线缆通过收绕将两个机体拉近并结合，为对接界面提供预紧力，形成刚性集成的单一机体，实现四足构型、横摆驱动构型和移动机械臂构型。在分离状态下，同一根线缆作为可变长度的机械连接，用于物体操作和机体间力传递。研究贡献包括：第一，设计并实现了TwinX——最小化的两机一线缆可重构机器人系统，将主动收放线缆与对接接口相结合；第二，证明了主动收放的体间线缆通过拉近两机体并为对接界面提供预紧力，支持多种对接状态功能；第三，证明了分离后同一线缆仍可作为功能性连接，实现分布式的线缆介导协作。
**三、关键技术方法**
研究人员采用了以下主要技术方法：硬件方面，TwinX由两个同构的WiXus轮腿机器人组成，通过直径约2.0 mm的Dyneema线缆连接，线缆收放模块最大持续张力约313 N，最大收放长度约6 m。对接机制采用四组插头/插座式对接销，配合倒角和尖端缩径设计以放宽对接时的对位精度要求。系统架构方面，两个机体验证相同的软件架构，通过状态机管理模式切换，操作员指令通过共享摇杆输入分配，控制器生成参考指令后经CAN总线发送至执行器。四足运动控制采用基于PPO算法的强化学习，在Legged Gym模拟环境中训练，训练时将系统视为单一四足机器人，推理时策略在两个机体上同时执行，各机体仅应用对应自身轮腿的动作输出，并通过UDP通信交换观测信息。自主对接采用AprilTag视觉标记进行相对位姿估计，通过差分两轮系统的收敛控制律实现位置与姿态对齐。
**四、研究结果**
**1. 集成形态重构实验**
实验证明TwinX能够利用线缆收放和对接机制使两个机体临时作为单一机体运作。四足运动实验先在MuJoCo模拟器中验证了学习策略能根据指令在轮式运动与腿部运动之间切换，随后在真实机器人上进行了草地行走、下楼梯和跨越路缘三种室外实验，均实现了稳定运动。垃圾收集任务展示了从横摆驱动构型切换到移动机械臂构型、抓取垃圾并投入垃圾桶、再切换回横摆驱动构型的完整流程，任务中两次重新对接均成功完成。
**2. 分布式线缆介导协作实验**
包围任务中，WiXus-Red保持静止，WiXus-Blue边移动边放出线缆，绕行目标区域形成包围多边形，随后两机体保持线缆长度同向移动，成功将散落的多件不同尺寸和形状的垃圾一同拖运。钩取任务中，线缆被放置在三个喷雾瓶型物体的把手下方，通过收绕形成张紧线段，两机体提升身体高度钩取并抬起目标，随后在保持钩取状态的同时收拢并运输。力传递任务模拟了陡坡救援场景，在49°坡道上，WiXus-Red作为锚点停留在上方平台，WiXus-Blue下坡后用手臂环抱目标，随后边收绕线缆边上坡，成功完成救援。
**五、讨论与结论**
在讨论部分，研究人员指出，传统可重构机器人的功能扩展主要围绕对接后形成的单一机体展开，而TwinX表明功能扩展不仅来源于对接后的单一机体，还来源于保持连接的分布式机体之间的关系。分布式状态不仅是重构的中间阶段，其本身也是功能展现的状态。体间线缆引入了区别于刚性连杆和关节的设计自由度：连接不是固定的，而是允许距离、相对排列和张力状态变化的持续物理关系。这使机器人机体不仅能采取刚性集成和完全独立两种极端结构，还能采取保持可控物理连接的中间分布式构型。
研究结论指出，TwinX成功地在最小化的两机一线缆系统中连接了对接状态的集成形态重构与分离状态的线缆介导协作。真实机器人实验证明了对接状态下的四足运动、横摆驱动运动和移动机械臂操作，以及分离状态下的包围和钩取操作及机体间力传递。这些结果表明，同一根体间线缆既能通过对接形成集成机体，也能在分离后维持分布式机体间的功能关系，从而拓宽了可重构机器人功能扩展的视野：功能不仅来自刚性集成机体的形态，还来自分布式机体之间可控的物理关系。
