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「第三只手」机械臂上线:既可以采摘水果,也能锤破墙壁

如果有一个机械制成的「第三只手」,你会用它来做什么?

想让机器人与人类配合无间,或许是机器人领域里最难做的事了。近日,来自加拿大舍布鲁克大学的研究人员开发出了一种固定在腰间的机械臂系统,它可以帮助你完成多种任务。

与目前美军正在研究的、旨在增强人体力量的外骨骼相比,给人安上新的手臂看起来更加科幻了,这不禁让人想起电影《明日边缘》里阿汤哥的那一身机甲。

这一技术现在已经有了雏形,其研究由 Catherine Véronneau 等人完成,论文「Multifunctional Remotely Actuated 3-DOF Supernumerary Robotic Arm Based on Magnetorheological Clutches and Hydrostatic Transmission Lines」也已被机器人领域顶级会议 ICRA 2020 收录。

论文主页:https://events.infovaya.com/presentation?id=68227

腰间穿戴的「第三只手」机械臂

在探讨机械手对人们的用途时,无论是额外的手指还是一个或两个额外的机械臂,其功能都常限于缓慢移动的轻量级任务。这些任务往往是持有或携带物体,稳定物体或使用者等等。但人们想要的并不只是如此,而是能让我们变成像漫威漫画里的超级英雄一样的可穿戴机械臂。

这种类型的可穿戴机械臂被称为额外机械臂(supernumerary robotic arm)。本研究的系统有 3 个自由度,由磁流变离合器和静液压传动装置驱动。其目标是在众多工业和家庭应用中实现如人类手臂一样的性能。液压系统会提供相对较大的动力,但是动力系统本身是通过线缆和使用者连接的,在最大程度上减少了使用者穿戴的质量(保证手臂的惯性较小),同时还略微限制了移动性。

外置动力系统确实会束缚一点让你成为超级英雄的潜力,但在实际情况下,使用者不太可能会四处走动。如果任务必须移动,或许可以把动力系统安置在跟随人移动的自动驾驶车上。最终,整个系统可能会集成到更为便携的背包中。

机械臂的 Demo 视频具体参见:

该机械臂重约 4kg,大约相当于真实的人的手臂,能够提起 5kg 的重量。其末端执行器的最大速度是每秒 3.4 米,并且为了防止它砸到使用者的脸,其移动空间是受限的。目前,还没有太多自动化的方法,需要另一个操作者在主从配置下通过一个迷你版的手持臂控制该机械臂。

研究者表示,添加一些传感器会让该机械臂做一些像在使用者旁边采摘水果这样的事情,还可以做一些合作型任务,比如提供工具协助。你可以把它看成一个合作者,它可以和使用者并肩执行同样的任务来直接地提高生产力,也可以代替使用者做一些任务,让使用者可以去做其他更需要创造力和判断力的事情。

「第三只手」可以用来做些什么?研究者们设想了很多应用,包括:采摘果实、刷墙、擦玻璃、递送工具,甚至还有打羽毛球。

研究者访谈:「第三只手」背后的故事

IEEE 对论文一作 Catherine Véronneau 进行了采访,为我们讲述机械臂背后的故事。以下为访谈具体内容:

Q1:佩戴了「第三只手」是什么体验? 我们真的能习惯这种人机配合方式吗?

Catherine Véronneau:这是我们未来要真正探索的东西。目前看来,这只手臂在我身上工作的还不错,它的重量只有 4.2 公斤,安装位置也位于人体的质心附近(以减小惯性)。这让我们很快就适应了它,机械臂也可以补偿人的某些运动(包括 x、y、z 轴的平移运动),但想要补偿用机械臂打球这样的扭转运动还需要进行一定的改进,这很有趣!我们注意到,线束需要牢固地固定在身体上,如果线束和人之间有不同步,则会很难受。

Q2:为什么选择这种特殊的驱动技术?

我们使用 MR 离合器是因为它的惯性非常低(齿轮电机产生的惯性不会直接反映到输出,这是因为 MR 离合器是在「不断打滑」的情形下工作的)。因为惯性较低,所以它的反应可以非常快(具有高作用力带宽),这使得它们可以补偿人类无法预测的运动。由于 MR 离合器的刚度(高带宽)和易于布线的特性,我们选择了这种方式,把它与静液压传动装置相连。

Q3:机械臂对于穿戴者和身边的人足够安全吗?

由于采用了 MR(磁流变)离合器,因此机械系统本质上是安全的(没有齿轮运动的惯性,机械臂惯性较低,摩擦力也较低……)。同时因为 MR 离合器反应速度很快,且可以逆向运转,我们可以快速地检测到接触(压力增大)并施加负扭矩以避免伤害人类。

Q4:让手臂自动化工作,同时与穿戴者配合还需要做些什么?

使用第三只手(或者任何 SRL「超级机器人肢体」)的自动模式都涉及到理解人类动作背后的意图,这与正在进行的任务具有非常大的关系。如果使用者拿东西时遇到了一扇门,则控制器需要检测何时是开门的正确时机,这对于特定任务来说这是可行的。但我们还希望 SRL 能够支持多种任务,这就需要更强大的 AI 技术或智能控制来检测人类想要做什么,以及 SRL 如何与使用者互相配合。「人类的意图」在这个方向上还有很多需要探索的东西。

Q5:当多了一个机械臂时,你能用它做哪些有趣的事情?

在疫情出现之前,我们正在讨论「端啤酒杯」机械臂稳定系统。如果你看过 YouTube 上那个著名的视频就会有印象。虽然那个视频还只是视觉特效,但现在我们有机会让它成为现实了。目前我们面临的挑战是实时稳定手臂的位置和方向,或手臂的底座,从而实现「手掌」的稳定。如果实现的话我们就拥有了一个绝对稳定的平台,可用于拍照、定位等任务。

「这是我们下一步的目标!」


参考内容:

https://spectrum.ieee.org/automaton/robotics/robotics-hardware/robotic-third-arm-can-smash-through-walls

工程机器人技术机械臂
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