機(jī)械臂與四足機(jī)器人組合都能做些什么？

提及此，想必大家第一時(shí)間想到的必然是波士頓動(dòng)力此前率先推出的四足機(jī)器人+機(jī)械臂組合。

2020年，波士頓動(dòng)力對(duì)四足機(jī)器人Spot進(jìn)行全新升級(jí)，并推出適配于Spot加裝的機(jī)械臂。

在機(jī)械臂的輔助下，四足機(jī)器人Spot不僅可以執(zhí)行開關(guān)門、擰閥門、推開關(guān)、拖拽重物、種植植物等工作任務(wù)，甚至可以完成做家務(wù)、收集衣物等家庭任務(wù)。

通過集成四足機(jī)器人與機(jī)械臂為移動(dòng)操縱系統(tǒng)，波士頓動(dòng)力實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人與環(huán)境的深度交互，加之操作和開發(fā)的簡(jiǎn)單性，Spot可以在各種環(huán)境中輕松部署。

然而，由于SpotArm缺乏定制性且手臂硬件不能輕易修改，因此由Spot和Spot Arm組合而成的移動(dòng)操縱系統(tǒng)雖然非常強(qiáng)大可執(zhí)行各類復(fù)雜任務(wù)，但卻存在系統(tǒng)本身是為特定任務(wù)創(chuàng)建、實(shí)施成本過高等問題。

前不久，由伊利諾伊大學(xué)厄巴納-香檳分校（IUIC）Jooh yung Kim教授運(yùn)營(yíng)的動(dòng)能智能機(jī)器實(shí)驗(yàn)室提出一個(gè)可以增強(qiáng)四足機(jī)器人功能，并在移動(dòng)操控的各種應(yīng)用中展現(xiàn)出多功能性和適應(yīng)性的附加系統(tǒng)Orthrus。該附加系統(tǒng)有效地允許將兩個(gè)六自由度機(jī)械臂與一個(gè)四足機(jī)械臂集成為一個(gè)系統(tǒng)。

組裝的Orthrus(PAPRAS+Quadruped)系統(tǒng)可用于各種應(yīng)用，例如移動(dòng)操作任務(wù)和娛樂應(yīng)用

以模塊化為重要原則，該系統(tǒng)允許集成完全模塊化的機(jī)械臂系統(tǒng)即插即用機(jī)械臂系統(tǒng)（PAPRAS）。當(dāng)整個(gè)系統(tǒng)完全組裝好后，PAPRAS-Quadruped系統(tǒng)類似于Orthrus，一種希臘神話中守衛(wèi)Geryon城堡的雙頭狗，

▍雙臂！四足！集成如何實(shí)現(xiàn)？

在移動(dòng)平臺(tái)的選擇上，研究團(tuán)隊(duì)選用了Boston Dynamics Spot，并在該平臺(tái)上集成了兩臺(tái)PAPRAS。

雙六自由度機(jī)械臂集成到四足機(jī)器人

在將六自由度機(jī)械臂集成到四足機(jī)器人方面，研究團(tuán)隊(duì)使用了定制安裝座連接到四足機(jī)器人，該安裝座連接到位于四足機(jī)器人身體背側(cè)前方的安裝孔。

附加支架的各種視圖(a)。顯示系統(tǒng)的分解圖(b)。顯示系統(tǒng)和安裝位置的前視圖

該支架由一個(gè)用Onyx（一種帶有短切碳纖維的復(fù)合尼龍基長(zhǎng)絲）3D打印的核心部分和兩個(gè)用噴水機(jī)切割的鋁支架組成加固物，兩個(gè)用PLA3D打印的插座用于連接手臂。

安裝座和插座相對(duì)于矢狀面和背側(cè)平面成45度角，并且彼此之間成90度角。插座的位置也使得每個(gè)臂的工作空間中心彼此相距322毫米。每個(gè)3D打印插座都使用旋轉(zhuǎn)鎖定機(jī)構(gòu)在插入后將臂保持在適當(dāng)位置，每個(gè)插座底部的電連接器允許傳輸電力和數(shù)據(jù)。系統(tǒng)的工作空間能夠涵蓋四足機(jī)器人的整個(gè)背側(cè)，系統(tǒng)的跨度略大于人類平均臂展。

Orthrus平臺(tái)的工作區(qū)與人類比較。(a)與人類的側(cè)視圖(b)。從前視圖看系統(tǒng)的工作區(qū)。

設(shè)備上的三臺(tái)主要計(jì)算機(jī)是英特爾NUC-10、Nvidia Jetson AGX Xavier和四足機(jī)器人的機(jī)載計(jì)算機(jī)。英特爾NUC-10是主要操作PC，將處理兩個(gè)PAPRAS手臂和四足機(jī)器人之間的通信和任務(wù)。操作PC通過有線連接連接到四足機(jī)器人的車載計(jì)算機(jī)。操作PC通過USB連接到U2D2，這是ROBOTIS制造的轉(zhuǎn)換器，允許使用RS-485協(xié)議進(jìn)行通信。由于操作PC的處理能力有限且沒有GPU，因此附加了Jetson作為感知管道。   

在電源方面，研究團(tuán)隊(duì)沒有采用四足機(jī)器人的板載電池提供，而是設(shè)計(jì)了單獨(dú)的6sLiPo電池提供。電池通過定制的3D打印支架固定在身體下背部區(qū)域的鋁制安裝導(dǎo)軌上。定制的PCB用作電源轉(zhuǎn)換器，允許24V直流輸出為手臂供電，以及一個(gè)單獨(dú)的輸出，將電壓降至19V為操作和感知PC供電。

夾具系統(tǒng)安裝與兼容的實(shí)現(xiàn)

夾具安裝在PAPRAS的末端執(zhí)行器框架上。PAPRAS的平行夾具可以輕松地替換為使用相同末端執(zhí)行器框架的其他夾具。這為PAPRAS定制夾具系統(tǒng)帶來兼容性的實(shí)現(xiàn)。

根據(jù)應(yīng)用情況，可以在Orthrus上輕松更換夾具

平行夾具使用RS-485進(jìn)行通信，并通過將PAPRAS電機(jī)與RS-485鏈接來提供電源。該型號(hào)使用24V，因此與PAPRAS手臂有很高的兼容性。平行夾具頂部配置了水平安裝的英特爾RealSense D435作為手眼攝像頭。該相機(jī)可用于執(zhí)行各種感知任務(wù)。

無(wú)源干擾夾具使用兩個(gè)XM430-W350-RDynamixel電機(jī)，該電機(jī)使用12V并使用RS-485協(xié)議進(jìn)行通信。因此，夾具需要一個(gè)24V至12V的直流降壓轉(zhuǎn)換器。該夾具頂部有一個(gè)垂直連接的RealSense D435。

夾爪使用自己的電池和通信協(xié)議。因此，控制箱內(nèi)有兩節(jié)3.4VLiPo電池和電源開關(guān)。該夾爪由制造商提供的移動(dòng)應(yīng)用程序通過藍(lán)牙進(jìn)行控制。夾具系統(tǒng)的安裝部件采用微型碳纖維注入尼龍3D打印而成。夾爪連接至手腕處的夾具控制盒的安裝塊。

與操縱模塊和移動(dòng)模塊交互的軟件架構(gòu)

Orthrus系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以模塊化為關(guān)鍵原則，允許夾具和工具的不同組合，每種組合都具有獨(dú)特的有效負(fù)載能力。為了在有效負(fù)載重量?jī)?nèi)確保移動(dòng)底座能夠穩(wěn)定導(dǎo)航，四足機(jī)器人具有有效負(fù)載調(diào)整功能，可以系統(tǒng)地計(jì)算有效負(fù)載質(zhì)量。一旦估計(jì)出有效負(fù)載質(zhì)量，系統(tǒng)就可以根據(jù)有效負(fù)載調(diào)整其運(yùn)動(dòng)，以確保運(yùn)行過程中的安全性和穩(wěn)定性。此外，有效負(fù)載調(diào)整功能允許Orthrus系統(tǒng)通過估計(jì)來使用未知質(zhì)量的工具。

軟件系統(tǒng)設(shè)計(jì)與功能

在系統(tǒng)控制方面，雖然四足機(jī)器人與PAPRAS分別獨(dú)立控制，但在執(zhí)行任務(wù)時(shí)也需要相互溝通。為了實(shí)現(xiàn)Spot驅(qū)動(dòng)程序和操作PC之間的通信，研究人員將兩臺(tái)計(jì)算機(jī)通過有線網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行了連接。   

有線連接與四足機(jī)器人的機(jī)載計(jì)算機(jī)建立通信可控制其動(dòng)作。同時(shí)也可以實(shí)現(xiàn)低延遲通信，從而同步控制四足機(jī)器人和PAPRAS。

兩個(gè)系統(tǒng)都使用ROS進(jìn)行控制。即使整個(gè)系統(tǒng)的軟件運(yùn)行在同一臺(tái)操作PC上，系統(tǒng)的軟件也可以分為多層。它可以分為四足系統(tǒng)的定位和導(dǎo)航（系統(tǒng)的移動(dòng)性）和PAPRAS的硬件控制（系統(tǒng)的操縱）。

▍娛樂！移動(dòng)操縱！Orthrus測(cè)試與驗(yàn)證

通過模塊化設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)可以輕松用于移動(dòng)操作任務(wù)，也可以作為人類娛樂系統(tǒng)。

研究人員通過家庭環(huán)境和各種娛樂環(huán)境中的應(yīng)用對(duì)系統(tǒng)的模塊化和多功能性進(jìn)行了展示，充分驗(yàn)證了研究團(tuán)隊(duì)所提出系統(tǒng)可以提高人機(jī)交互水平，提供更具吸引力和互動(dòng)性的體驗(yàn)。

移動(dòng)操控實(shí)驗(yàn)

在移動(dòng)操控實(shí)驗(yàn)中，Orthrus系統(tǒng)的實(shí)際應(yīng)用為將目標(biāo)菜肴從餐桌移至廚房水槽。此場(chǎng)景展示了Orthrus系統(tǒng)無(wú)縫集成機(jī)械臂和四足機(jī)器人執(zhí)行一系列協(xié)調(diào)動(dòng)作的能力。

算法1使用Orthrus進(jìn)行清理的基本算法

1：初始化環(huán)境

2：導(dǎo)航到目標(biāo)（表）

3：挑選（菜）

4：NavigateToGoal（廚房水槽）

5：地點(diǎn)（菜品）

6：導(dǎo)航到目標(biāo)（首頁(yè)）

最初，Orthrus系統(tǒng)初始化環(huán)境（步驟1）。利用其機(jī)載攝像頭和傳感器，該系統(tǒng)可以準(zhǔn)確識(shí)別和定位環(huán)境中的物體。餐桌上放置的基準(zhǔn)標(biāo)記可幫助Orthrus系統(tǒng)識(shí)別桌子的位置（步驟2）并確定目標(biāo)菜肴相對(duì)于桌子的位置。

一旦桌子和盤子被定位，作為Orthrus系統(tǒng)一部分的機(jī)械臂就會(huì)采用RRT-Connect運(yùn)動(dòng)規(guī)劃器來確定拾取目標(biāo)盤子所需的關(guān)節(jié)角度（步驟3）。為了防止與周圍物體發(fā)生碰撞，規(guī)劃器為機(jī)械臂創(chuàng)建有效且安全的軌跡，這些軌跡由關(guān)節(jié)軌跡控制器執(zhí)行。PAPRAS硬件接口和Dynamixel電機(jī)控制機(jī)械臂的關(guān)節(jié)角度，確保運(yùn)動(dòng)流暢且準(zhǔn)確。

Orthrus系統(tǒng)信念狀態(tài)與工具

為了到達(dá)廚房水槽（步驟4），四足機(jī)器人在環(huán)境中導(dǎo)航，依靠SpotDriver和導(dǎo)航路徑來規(guī)劃并遵循安全有效的軌跡。為了保證精確導(dǎo)航，基準(zhǔn)標(biāo)記放置在廚房水槽前面，引導(dǎo)機(jī)器人到達(dá)適當(dāng)?shù)哪康牡亍?/span>

到達(dá)廚房水槽后，Orthrus系統(tǒng)將餐具放置在指定位置（步驟5）。在PAPRAS硬件接口和Dynamixel電機(jī)的幫助下，機(jī)械臂的精確控制可以精確放置培養(yǎng)皿，從而成功執(zhí)行任務(wù)。最后，四足機(jī)器人導(dǎo)航回到其原始位置（步驟6）。

娛樂和外展應(yīng)用

Orthrus系統(tǒng)有效地開發(fā)了三種不同的娛樂形式：(1)利用工具的動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)，(2)模仿動(dòng)物的頭部運(yùn)動(dòng)，(3)交互式應(yīng)用程序。此外，研究團(tuán)隊(duì)還對(duì)改進(jìn)的系統(tǒng)和控制界面進(jìn)行了多次演示，以評(píng)估其穩(wěn)健性和可靠性。    

1)使用工具進(jìn)行動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)

第一種娛樂形式側(cè)重于將從源視頻獲得的參考動(dòng)作重新定位到雙臂機(jī)器人系統(tǒng)，從而產(chǎn)生視覺上引人入勝的機(jī)器人表演。該方法優(yōu)先考慮運(yùn)動(dòng)學(xué)可行性和避免碰撞，這些問題可以使用基于靈活碰撞庫(kù)(FCL)算法的MoveIt碰撞檢查功能來解決。模擬通過檢測(cè)和解決潛在的碰撞或不可行的配置來增強(qiáng)重定向運(yùn)動(dòng)的安全性和可靠性。在這種方法中，靈巧的假手充當(dāng)末端執(zhí)行器。

Orthrus 系統(tǒng)用于多種娛樂和外展應(yīng)用。這些應(yīng)用程序包括帶有工具的多轉(zhuǎn)彎模式（左上）模仿動(dòng)物般的動(dòng)作（中上）圣誕鐘聲響起（右上）基于路點(diǎn)的揮手（左下）糖果講義（下中）和小學(xué)外展（下中）

2）模仿動(dòng)物的動(dòng)作

第二種娛樂形式涉及Orthrus系統(tǒng)使用干擾夾具，其設(shè)計(jì)類似于神話中的雙頭狗Orthrus的頭部。這種創(chuàng)新的抓手具有類似下巴的結(jié)構(gòu)，可以模仿狗下巴的運(yùn)動(dòng)。為了增強(qiáng)用戶體驗(yàn)，抓手配備了攝像頭，充當(dāng)狗頭上的“眼睛”。將攝像頭集成到抓手的設(shè)計(jì)中，增強(qiáng)了用戶體驗(yàn)的身臨其境和互動(dòng)性，讓他們感覺好像正在與真實(shí)的活體動(dòng)物互動(dòng)。當(dāng)連接到Orthrus系統(tǒng)時(shí)，干擾夾具的末端執(zhí)行器可以以類似于雙頭狗的自然運(yùn)動(dòng)的方式移動(dòng)和傾斜。這種動(dòng)態(tài)且逼真的動(dòng)作增強(qiáng)了體驗(yàn)的整體吸引力。

3）交互式應(yīng)用程序

第三種娛樂形式涉及使用Orthrus與人們互動(dòng)。在外展期間與孩子們互動(dòng)的一個(gè)簡(jiǎn)單演示是分發(fā)糖果。Orthrus可以攜帶兩籃糖果，并做出一些小動(dòng)作，例如舉起籃子和放下籃子，以指示人類何時(shí)可以伸手去拿糖果。互動(dòng)演示時(shí)，有兩名操作人員和一名安全人員。安全人員緊急停止并近距離觀察機(jī)器人與人類之間的互動(dòng)，而兩名操作員則能夠控制Orthrus的運(yùn)動(dòng)。   

通過使用工具結(jié)合動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)并模仿動(dòng)物般的頭部運(yùn)動(dòng)，Orthrus系統(tǒng)提供了一種交互式且具有視覺吸引力的體驗(yàn)，突破了人機(jī)交互的界限。