導讀
近年來隨著機器人技術的發展，許多高科技公司開始著眼開發家政機器人。來自日本的公司Preferred Networks有一支團隊專門研發「整理客廳「的機器人系統。該團隊搭建了先進的視覺和卷積神經網絡系統，使得機器人可以將客廳地板上雜亂的物體識別歸類，然後進行抓取並放到正確的位置。「工欲善其事必先利其器」，一隻好用可靠的機械手也可以大大提升機器人的收拾屋子的效率和成功率。Preferred Networks團隊的工程師近日就研發了一款專門適用於撿起家中各種物品的機械手，並發表於國際著名機器人雜誌《IEEE Robotics and Automation Letters》上。該款機械手不僅可以抓握多種形狀不規則的物體，甚至可以抓取地面上的衣物，柔軟的書本，甚至餐巾紙和塑膠袋。
圖1. 擺放拖鞋的智慧機器人
家政機器人和特別設計的機械手
現代都市人繁忙的工作一天後，回家只想攤在沙發上「葛優躺」，可熊孩子（或是二哈！）總會把玩具亂扔一地，把客廳弄得亂七八糟，頭疼死了！筆者從小沒少幻想，如果有一天有機器人來幫忙就好，一聲令下機器人運作起來，毫無怨言的把屋子收拾乾淨，省心又省力！
圖2. 被家務困擾的現代都市人
收拾屋子聽起來是一項簡單而重複的任務，撿起來東西來放到該放的地方不就好了？但其實如果要用機器人來完成這項任務，裡面學問可真不少！在工業自動化中，基於機器視覺的物體識別早已經被廣泛採用，不過當我們把情景換到客廳就複雜多了，家中物體多種多樣，更不用說散落四處，不像流水線擺放的如此整齊。
來自日本的公司Preferred Networks有一支研究團隊就致力於研發可以自主清潔屋子的機器人，並且取得了一定的成果。他們研發的全自動整理機器人系統，還真能讓你一聲令下之後，自動把雜亂的客廳收拾的乾乾淨淨！
圖3. 日本PreferredNetworks公司研發的整理機器人系統
PreferredNetworks運用最尖端的深度學習技術開發了畫面識別引擎（基於NVIDIA Tesla V100的超級電腦MN-1b）並且進行卷積神經網絡的訓練，使機器人可以分辨掉落在地上的各種物體。哪怕數百種物品散亂在房間各處，他們設計的機器人系統也能夠識別出物品的位置和種類。
圖4. 機器人可以識別並記憶屋子裡物體的位置
一旦識別之後，機器人就按照預定好的路徑對每一件物品進行抓取，並且歸類到每個物品應該處於的正確的位置（目前來看速度偏慢）。
圖5. 機器人開始收拾
圖6. 機器人快收拾完畢
人類的生活空間裡存在著各種各樣的物體，如果是水瓶，拖鞋這些機器人還比較好抓，一旦遇到像是手帕，紙巾，書本這類薄軟的物體掉落在地面，抓起它們可真的是為難大部分機械手了。今天小編向大家介紹的是Preferred Networks的工程師專門設計的一款新型機械手，為了解決以上提到的家務勞作中常見的抓取問題。該機械手的相關論文於近日發表於國際著名機器人期刊《IEEE Robotics and Automation Letters》。
圖7. 新推出的萬能機械手
這款機械手的最大亮點就是可以快速可靠的撿起地面上薄而軟的物體，例如一本書，一件衣服等。關鍵結構就是位於一側指尖上的一個可以滑動的小皮帶。雖然在指尖添加一個額外的自由度不算是很新的設計思路，該機械手只用了一個電機就實現了功能，極大的降低了控制複雜性和成本。
我們先一起領略這款機械手的抓取能力，下一部分簡單介紹機械手的結構設計和相關測試。文末附有完整視頻和相關文章連結，感興趣的童鞋不要錯過喔！
機械手可以夾起一片貼在桌子表面的矽膠（對於人手來說都有一點難度）。
圖8. 捏起一片矽膠薄片
機械手可以輕鬆捏起一隻筆。
圖9. 捏起一隻筆
機械手輕鬆捏起一隻小球。
圖10. 捏起一隻小球
機械手可以抓取大小不同的薄片狀物體。
圖11. 抓取不同大小的薄物體
圖12. 抓取不同尺寸的柱形物體
機械手可以抓取家中常見的裝滿液體的柔軟的袋子（洗衣液）。
圖13. 抓取柔軟的袋裝物體
機械手展示抓取不同大小和不同形狀的物體。
圖14. 抓取不同形狀的物體
結構設計和測試
Preferred Networks的工程師設計的這款機械手，巧思之處就在於只用了一個電機，就實現了包括抓取和指尖滑動結構的同時控制。機械手的結構設計如下圖，設計者採用了一根貫穿兩根手指和整個手掌的驅動繩子，繩子同時也驅動了手指內側的滑動帶。繩子右端連接的線性滑塊和彈簧是幫助實現抓取的關鍵結構。
圖15. 機械手的結構設計
機械手的抓取過程分成三個步驟（下圖中的a, b, c）：在第一個步驟，手指在電機的驅動下靠近物體。在這個階段，滑動模塊的彈簧剛度大於手指關節處的彈簧剛度，因此手指的滑動帶保持不動，機械手如同普通的平行夾爪一樣靠近物體。
在第二個階段，當手指和物體接觸以後，電機扭矩增加，繩子的拉力大於滑動塊的預緊力，因此導致滑動塊開始滑動，隨之而來的是指尖滑動帶向著手掌內側滑動，從而把物體拉向機械手內側，這也正是抓取薄形的物體的關鍵！
第三個階段，滑塊到達了結構終點，機械手此時表現為一個欠驅動的機械手結構，電機的扭矩被完全加載到關節上，從而繼續抓緊物體。
圖16. 機械手的抓取過程
藉助於這樣的結構設計，無需過於複雜的控制，機械手就可以抓取很多薄而軟的物體，例如3mm厚度的腳墊，以及軟皮書。
圖17. 機械手可以從桌子上抓取3mm厚的膠墊和軟皮書
研究者還設計實驗測試抓取了一些對於大多數機械手來說基本上不可能抓的起的超薄物體。例如布料，塑膠袋，紙巾，以及A4紙。可以看到，藉助於指尖的滑動結構，這種又軟又薄的物體的抓取也不在話下！
圖18. 機械手抓取超薄的紙巾和布料等物品
未來展望
總的來說，這款機械手藉助於簡單但是精妙的結構設計，實現了一般機械手難以抓取的能力，同時又沒有提升機械手的控制難度。從筆者的角度來看，在抓取薄而軟的家中常見物體方面，真的是很少有機械手可以和它相匹敵。這款機械手不愧是專門為了整理雜物機器人而設計的，客廳散落的物體必定有很細的筆，或者是很薄的衣物，書本等，這款機械手基本上很好的解決了這一類物體的抓取問題，從而讓機器人抓取的成功率更高！
圖19. 聽話的機器人
雖然目前來說，機器人的整理速度還是比較緩慢，但筆者相信，隨著各個方面綜合技術的發展，這樣的機器人終有一天會走入每個人的家庭，就好像洗衣機和洗碗機一樣，成為必不可少「家用電器」，為你我分擔生活的煩惱！