中科大打造“象鼻”机器人，开门、擦玻璃、给女朋友拧瓶盖的那种

杨净 发自 凹非寺
量子位 报道 | 公众号 QbitAI

中科大团队最新研发的软体机器人，有点接地气！

他们主要是受象鼻启发。

造出来的机器人是酱紫的。

跟以往普遍应用于深海研究、医疗康复、制造等领域不同的是，它主要应用在我们的日常生活中。

比如，给女朋友拧瓶盖。

嗯，首先你得有个女朋友。

还可以开车转手轮。

以及一些像开门、开抽屉、擦玻璃之类的日常任务，也统统不在话下。

这一软体机器人由中科大计算机学院陈小平教授领衔打造，其研究成果入选机器人顶刊IJRR。

具体是如何实现的呢？

如何实现？

这个机器人最大的特点，就是蜂巢气动网络结构。

基于这种结构，制备了像象鼻一样兼具灵活度和大负载能力的软体手臂，其负载能力约为3Kg，负载自重比达到了1:1。

拆解来看，就是蜂巢结构和气囊的结合。

蜂巢的六边形结构密度小、压缩性能和剪切性能高，可为气动网络结构内部提供骨架，具有很好的支撑性。

这一结构是使用桌面级3D打印机打印的，也就决定了这一机器人成本低、易制备。

团队成员表示，目前，最短两天就可以打印出一只60cm长的手臂，成本在3500元左右（包含材料费和打印服务费）。

如果以后实现量产，使用模具制作可以进一步将制备时间缩短至分钟级别。

而气囊是弹性体内部的一系列通道和腔室。当气囊充气时，依靠蜂巢的结构形变，能产生不同方向的弯曲运动或者伸长运动。

气囊的制备使用的是成熟的尼龙布加工工艺，每条手臂大约需要250个气囊，总成本约1000元。

除了蜂巢结构和气囊外，还有用于驱动手臂运动的比例调压阀，是工业上常用的气动元件。

整个手臂使用了16个比例调压阀进行控制，成本约3万元。

下一步我们将自研低成本驱动系统，进一步降低总成本。

因此可以说，整个制备过程比较容易，各个元件都已经有成熟的解决方案。

有了大体结构，就要看如何执行交互任务了。

研究团队提出了两种控制方法。

第一种是基于简化Jacobian模型的反馈控制，利用机器人在交互过程中不受环境影响的运动规律。

第二种是基于Q-learning的控制方法，通过设置虚拟目标来增加训练数据。

受人执行操纵任务的启发，研究团队还实现了分层控制系统，包含行为规划器和行为控制系统两个部分。

而行为控制系统，又区分为高层行为控制器、低层运动控制器和控制终端。

具体来说，当执行某项任务时，先由要行为规划器，规划出做什么的动作。

以转手轮为例，只需要“向前，向下，向后，向上”这四个行为，就能将手轮转动一圈。

然后再由高层行为控制器，在三维空间里设定目标，然后传给低层运动控制器，引导手臂沿着指定的方向。

而这里的“引导”，是指低级运动控制器为控制终端产生电压，以产生相应的压力来驱动软臂。

最终，证明了在这一系统的控制下，软体机器人能在没有力传感器和环境精确模型的情况下，像人一样完成简单的交互任务。

背后的团队

而这一机器人，由中科大计算机学院陈小平教授团队打造。

据介绍，该团队在软体机器人领域研究近十年，曾先后获得IEEE ROBIO 2016最佳会议论文奖和哈佛大学软体机器人挑战赛第二名。

团队成员表示，

接下来团队将继续从自然界汲取灵感，开展软体机器人的相关研究，拓展机器人技术的边界，争取早日让机器人早日走进千家万户。

论文链接：
https://journals.sagepub.com/doi/10.1177/0278364920979367
参考链接：
https://softroboticstoolkit.com/hpn-manipulator
https://sites.google.com/view/softrobot