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7位中国90后研发全球首款交互软体机器人,能擦玻璃还能拧瓶盖

2021-04-18 35 第九导航

机器人也会开门了!

而且还是七位中国 90 后研发的,该机器人的学名叫蜂巢气动网络软手臂,因为酷似大象鼻子,以下姑且称作“象鼻手臂”。

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图 | “象鼻手臂”开门(来源:受访者)

除了开门,它还能开抽屉。

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图 | “象鼻手臂”开抽屉(来源:受访者)

此外,还能擦玻璃和拧瓶盖,妥妥的家务小助手。

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图 | “象鼻手臂”擦玻璃(来源:受访者)

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图 | “象鼻手臂”开瓶盖(来源:受访者)

相关论文也已发表在机器人顶刊 IJRR(The International Journal of Robotics Research)上,该工作由中国科学技术大学陈小平教授牵头完成,团队成员包括姜皓、王展翅、金渝松、李佩津、干英豪、陈晓彤、林森。

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图 | 几位主要研究者(来源:受访者)

据悉,该软体机器人手臂主要由蜂巢结构、气囊网络、驱动系统三个部分组成。

王展翅告诉 DeepTech:“该工作首次展示了软体机器人手臂可以完成各种生活中的操纵任务。” 其灵感来自象鼻子,它能像大象鼻子一样随意摆动。

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图 | 来回摆动的“象鼻手臂”(来源:受访者)

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图 | “象鼻手臂”跟踪目标点(来源:受访者)

研究中,他们提出一种基于 “行为” 的控制方式,该方式受到人类完成任务的启发。

这种“行为” 中蕴含着一种运动趋势,以转手轮为例,执行 “向前、向下、向后、向上” 四个行为,手轮就能转动一圈。

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图 | 基于 “行为” 的控制方式(来源:受访者)

就像妈妈教宝宝开门,只需教会他“抓住门把手,向下压,再向后拉”一样,该团队提出的基于行为的控制,也是在用类似方式和机器人交流。

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图 | “象鼻手臂”转动方向盘(来源:受访者)

为展示它的精细任务完成能力,在尺子的帮助下,“象鼻子”画出了一条直线。

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图 | “象鼻手臂”画直线(来源:受访者)

这其实和人手差不多,因为人类也很难徒手画出直线,往往也得借助尺子,所以“象鼻手臂”的交互能力,在个别功能表现上,丝毫不亚于人类。

从天然蜂巢获得灵感

研究中,该团队提出一种蜂巢气动网络结构(Honeycomb Pneumatic Networks ),并基于该结构制备出像象鼻一样、兼具灵活度和大负载能力的软体手臂,其中手臂负载自重已达到 1:1(3Kg 负载,3Kg 自重)。

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图 | 蜂巢气动网络结构动图(来源:受访者)

蜂巢结构采用 3D 打印技术制备,因此可快速将想法进行原型化,使用的材料是热塑性聚氨酯,设计好 3D 模型后,发给 3D 打印服务厂家进行打印。目前,算上材料费和打印服务费,打印一条 60cm 的“象鼻手臂”大约需要 3500 元。

蜂巢气动网络结构,使用压缩气体作为能量来源,它是一条气驱动的软体机器人手臂,压缩气体由气泵提供。

研究中,他们将气囊放置在蜂巢结构内部,通过控制气囊内部的气压,即可控制蜂巢结构的形变,进而控制手臂的运动。

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图 | “象鼻手臂”开抽屉示意图(来源:受访者)

姜皓告诉 DeepTech,当前大多数软体机器人使用硅胶等较软的柔性材料作为主体。这类软体机器人通过压缩流体、记忆合金等方式,驱动柔性材料形变、从而产生机器人的运动。

但是,这种机器人受限于材料特性,很难做到大负载,因此用于机器人手臂的设计存在一些局限。

而本次提出的蜂巢气动网络结构,构成蜂巢的六边形的折叠和伸展提供了形变,即通过结构的折叠 - 伸展形变从而产生机器人的运动,对于该过程,他们称之为结构形变致动。

概括来说,蜂巢结构具备良好的弯曲和伸长能力,这会给予软手臂良好的灵活性,此外蜂巢结构也具有良好的抗扭转能力,这也是手臂具有负载能力的基础。

如下图所示,这是蜂巢气动网络软体执行器的基本结构、以及工作原理示意图。两列蜂巢结构单元交错排列,每个单元内上下放置两个气囊,并且用硅胶软管将单个气囊连接成气动网络。

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图 | 蜂巢气动网络软体手臂基本结构及工作原理示意图(来源:受访者)

当一侧的气囊膨胀时,该侧结构会在气囊作用下伸长,另一侧由于结构的回复力,变形较小,因此整个执行器会向相反方向弯曲。

此外,如果所有气囊同时充气,软体手臂将会伸长,通过控制单个气囊的充气组合,软体手臂可实现多种弯曲和伸长变形。正是如此,蜂巢气动网络软体手臂具有良好的灵活性。

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图 | 外部相互作用下两个运动控制器的点对点实验(来源:受访者)

气囊使用的是聚氨酯尼龙布,这种复合材料气密性和承压都很好。制作气囊的成本约 1000 元 / 每条手臂。

其中,使用了成熟的尼龙布加工工艺,气密性和承压也可得到保证。而用于驱动手臂运动的比例调压阀,则是工业上常用的气动元件。将这些部分分别制备、再加以组装,即可得到蜂巢气动网络软手臂。

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图 | 蜂巢气动网络软体机器人手臂(来源:受访者)

作为单台样机,手臂整体成本在 5000 元以内,改进工艺后可能会更便宜。

目前,驱动手臂的控制系统成本相对较高,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。研究中,该手臂使用了 16 个比例调压阀进行控制,成本约 30000 元,下一步他们将自研低成本驱动系统,进一步降低总成本。

未来有望帮人端茶倒水

姜皓表示,本次工作瞄准的是日常生活中的操纵任务,就像论文中展示的那样,软体机器人手臂能完成很多日常任务。

他们希望在不久的将来,软手臂可以在家庭服务场景中扮演一个重要角色,帮人端茶倒水,收拾打扫。

在医疗护理场景中,机器人往往需要与病人直接接触。而由于真实护理场景中存在不确定性,因此在在护理场景中,刚性机器人手臂无法保证执行操纵任务时的安全性,这也导致其无法在疫情处理等场景中,得到广泛应用。

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图 | “象鼻手臂”开瓶盖示意图(来源:受访者)

而“象鼻手臂”具有本质上的柔顺性和安全性,为机器人在医疗护理应用中,提供了一条新思路。此外,它还可以用于救援、航天等场景。

姜皓说,之所以做“象鼻手臂”,是因为虽然机器人已经有半个多世纪的历史,也已被广泛用在工业生产中,但能用于生活的机器人少之又少。

要想在生活中应用,一个重要的要求是,机器人系统有能力处理它自身、和日常生活环境之间的物理交互。

然而由于生活场景的高度复杂性和高度不确定性,这些任务仍然是机器人领域的一大挑战。

而软机器人由硅胶等低杨氏模量材料为主体制备而成,具有被动柔顺的特性,对人类、对环境、甚至对机器人自身都非常安全。

基于此,他希望将“象鼻手臂”带到人们生活中,切实地帮人类执行一些日常任务,这也是这款安全、高效、低成本的软机器人手臂诞生的初衷。

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图 | 左图:使用相同的行为打开不同层的抽屉;右图:可对抗人工干扰并继续执行开抽屉行为(来源:受访者)

说到本次研究的创新点,王展翅表示:“刚性手臂一般有 6 到 7 个自由关节,只要控制关节运动,就能控制手臂运动。而软手臂由柔性材料制成,它会连续变形,且会有无限的自由度,因此它很难被控制。

而我们本次提出的控制,是对领域内的一大贡献,并借此实现了软手臂在和环境交互时的运动控制,这也是我们打动审稿人的地方。”

他补充称:“蜂巢的硬件设计也是我们的贡献之一,这种设计不仅简单,而且还方便制备。当然,软手臂并非只有这一种设计方式,也有学者提出过其他设计。

谈及实验中印象深刻的事情,姜皓告诉 DeepTech,记得有一天晚上在通宵调试机器人,他和师弟王展翅两个人干到凌晨四点多的时候,控制器出问题了,接收和发送指令不正常,指示灯异常闪烁,排查了所有部件都没发现问题。

他俩一度以为是外星人在尝试跟他们通讯,就录了视频并且记录了变化模式,打算破解一波,后来发现是 3-8 译码器坏了。之后他们停下实验,到实验室旁边的走廊上休息,抬头看见漫天火红的朝霞,心情舒畅。

另据悉,该机器人还参加过 2017 年哈佛大学举办的软体机器人比赛,当年大概有全球一百多队伍,这款机器人最终获得了第二名。

谈及未来研究,该团队表示:“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”。