corobos：一种允许移动机器人在桌面和墙面之间进行协作过渡的设计

研究背景与问题

• 发现问题或挑战: Swarm User Interfaces (Swarm UIs) 通过一群小型移动机器人实现动态用户环境操作，其功能范围通常局限于单一平面，难以从水平桌面自转移到垂直墙面。这种限制源于基于两轮推进系统的移动机制，也需要额外的人工或基础设施（如坡道）支持。
• 重要性: 如果能够使这些机器人自动化地在桌子和墙面之间进行过渡，这将显著扩展人机交互的空间应用，例如在墙上存储物品释放桌面空间或从墙面调用额外机器人协助工作任务。
• 研究动机与相关工作: 作者受自然界合作行为（如蚁群桥）的启发，希望通过机器人间协作设计一款可以自主过渡桌面与墙面的移动机器人。这项设计旨在解决传统方法（如坡道或专用结构）在空间效率和灵活性方面的不足。

解决方案

• 提出的解决方案: 作者提出了一个原型设计——corobos，这是一种配备基于被动机械附件的两轮移动机器人，通过协作行动能够完成桌面与墙体之间的90度过渡。
• 创新点:
  • 利用被动机械设计，无需额外的电动部件，并且附件可以通过3D打印轻松制造。
  • 机器人之间通过推力配合完成过渡过程，无需修改桌面或墙面环境。
  • 采用磁性附着增强墙面移动性能。
• 实施步骤与关键技术:
  • 两部分附件设计:
    • “推”组件负责推动挑战机器人完成旋转。
    • “坡道”组件帮助机器人在受力时实现平滑过渡和粘附。
  • 过渡机制设计:
    • 机器人协作推动，将挑战机器人贴向墙面并旋转90度，墙面磁性帮助其粘附。
    • 墙裙到桌面过渡利用引力辅助完成。
  • 实验与参数优化:
    • 设计多种坡道曲率，并通过实验测试过渡的稳定性。
    • 坡道曲率 n=1.3 的设计在过渡力需求与稳定性方面表现最佳。

研究成果

• 具体成果:
  • corobos 能够实现高效的桌面-墙面过渡，成功率达100%（n=1.3）。
  • 机器人可以移动不同的物品（如键盘或手机）并根据用户场景动态调配。
  • Demonstrated 壁上展示（dynamic wall posting）和教育相关应用（如教学高度概念、交互式房间布局模拟等）。
• 与现有解决方案的比较优势:
  • 传统坡道方法需要占据大量空间并减少用户交互灵活性，而 corobos 设计避免了这些问题。
  • 类似的磁吸机器人无法自主过渡复杂表面，corobos 提供了更多的适应性和功能。
• 实验与评估结果:
  • 不同设计中，坡道曲率 n=1.3 的组件在桌面到墙面的过渡时间为 0.53 秒，表现出更高的效率和稳定性。
  • Payload 测试表明机器人最多可以稳健地承载 0.0076 N·m 扭矩（例如中小型物品如笔刀或 LED 灯）。
• 局限性与未来方向:
  • 墙到天花板或墙到墙面的过渡目前仍无法实现，未来计划探索使用电磁和永久磁吸的结合方式。
  • 安全性问题，例如机器人跌落的风险需进一步优化，并计划通过改进材料耐用性和设计增加组件寿命。
  • 计划通过用户研究收集使用体验反馈以进一步提升人机交互效果和应用场景覆盖。

总结

corobos 提出了一种创新的两轮机器人设计，通过协作过渡机制扩展了 Swarm UI 的空间交互范围。该系统充分利用了被动机械附件和磁吸附着，为复杂的用户场景设计开辟了新可能。尽管当前设计存在一些局限性，未来工作将专注于扩展表面交互能力和提升用户体验。corobos 的设计对 Human-Robot Interaction 的空间优化和动态整合具有显著贡献。