「第三隻手」機械臂上線:既可以採摘水果,也能錘破牆壁

2020-12-04 澎湃新聞

選自 IEEE Spectrum

作者：Evan Ackerman

機器之心編譯

參與：澤南、小舟

如果有一個機械製成的「第三隻手」，你會用它來做什麼？

想讓機器人與人類配合無間，或許是機器人領域裡最難做的事了。近日，來自加拿大舍布魯克大學的研究人員開發出了一種固定在腰間的機械臂系統，它可以幫助你完成多種任務。

與目前美軍正在研究的、旨在增強人體力量的外骨骼相比，給人安上新的手臂看起來更加科幻了，這不禁讓人想起電影《明日邊緣》裡阿湯哥的那一身機甲。

這一技術現在已經有了雛形，其研究由 Catherine Véronneau 等人完成，論文「Multifunctional Remotely Actuated 3-DOF Supernumerary Robotic Arm Based on Magnetorheological Clutches and Hydrostatic Transmission Lines」也已被機器人領域頂級會議 ICRA 2020 收錄。

論文主頁：https://events.infovaya.com/presentation?id=68227

腰間穿戴的「第三隻手」機械臂

在探討機械手對人們的用途時，無論是額外的手指還是一個或兩個額外的機械臂，其功能都常限於緩慢移動的輕量級任務。這些任務往往是持有或攜帶物體，穩定物體或使用者等等。但人們想要的並不只是如此，而是能讓我們變成像漫威漫畫裡的超級英雄一樣的可穿戴機械臂。

這種類型的可穿戴機械臂被稱為額外機械臂（supernumerary robotic arm）。本研究的系統有 3 個自由度，由磁流變離合器和靜液壓傳動裝置驅動。其目標是在眾多工業和家庭應用中實現如人類手臂一樣的性能。液壓系統會提供相對較大的動力，但是動力系統本身是通過線纜和使用者連接的，在最大程度上減少了使用者穿戴的質量（保證手臂的慣性較小），同時還略微限制了移動性。

外置動力系統確實會束縛一點讓你成為超級英雄的潛力，但在實際情況下，使用者不太可能會四處走動。如果任務必須移動，或許可以把動力系統安置在跟隨人移動的自動駕駛車上。最終，整個系統可能會集成到更為便攜的背包中。

機械臂的 Demo 視頻具體參見：

該機械臂重約 4kg，大約相當於真實的人的手臂，能夠提起 5kg 的重量。其末端執行器的最大速度是每秒 3.4 米，並且為了防止它砸到使用者的臉，其移動空間是受限的。目前，還沒有太多自動化的方法，需要另一個操作者在主從配置下通過一個迷你版的手持臂控制該機械臂。

研究者表示，添加一些傳感器會讓該機械臂做一些像在使用者旁邊採摘水果這樣的事情，還可以做一些合作型任務，比如提供工具協助。你可以把它看成一個合作者，它可以和使用者並肩執行同樣的任務來直接地提高生產力，也可以代替使用者做一些任務，讓使用者可以去做其他更需要創造力和判斷力的事情。

「第三隻手」可以用來做些什麼？研究者們設想了很多應用，包括：採摘果實、刷牆、擦玻璃、遞送工具，甚至還有打羽毛球。

研究者訪談：「第三隻手」背後的故事

IEEE 對論文一作 Catherine Véronneau 進行了採訪，為我們講述機械臂背後的故事。以下為訪談具體內容：

Q1：佩戴了「第三隻手」是什麼體驗? 我們真的能習慣這種人機配合方式嗎？

Catherine Véronneau：這是我們未來要真正探索的東西。目前看來，這隻手臂在我身上工作的還不錯，它的重量只有 4.2 公斤，安裝位置也位於人體的質心附近（以減小慣性）。這讓我們很快就適應了它，機械臂也可以補償人的某些運動（包括 x、y、z 軸的平移運動），但想要補償用機械臂打球這樣的扭轉運動還需要進行一定的改進，這很有趣！我們注意到，線束需要牢固地固定在身體上，如果線束和人之間有不同步，則會很難受。

Q2：為什麼選擇這種特殊的驅動技術？

我們使用 MR 離合器是因為它的慣性非常低（齒輪電機產生的慣性不會直接反映到輸出，這是因為 MR 離合器是在「不斷打滑」的情形下工作的）。因為慣性較低，所以它的反應可以非常快（具有高作用力帶寬），這使得它們可以補償人類無法預測的運動。由於 MR 離合器的剛度（高帶寬）和易於布線的特性，我們選擇了這種方式，把它與靜液壓傳動裝置相連。

Q3：機械臂對於穿戴者和身邊的人足夠安全嗎？

由於採用了 MR（磁流變）離合器，因此機械系統本質上是安全的（沒有齒輪運動的慣性，機械臂慣性較低，摩擦力也較低……）。同時因為 MR 離合器反應速度很快，且可以逆向運轉，我們可以快速地檢測到接觸（壓力增大）並施加負扭矩以避免傷害人類。

Q4：讓手臂自動化工作，同時與穿戴者配合還需要做些什麼？

使用第三隻手（或者任何 SRL「超級機器人肢體」）的自動模式都涉及到理解人類動作背後的意圖，這與正在進行的任務具有非常大的關係。如果使用者拿東西時遇到了一扇門，則控制器需要檢測何時是開門的正確時機，這對於特定任務來說這是可行的。但我們還希望 SRL 能夠支持多種任務，這就需要更強大的 AI 技術或智能控制來檢測人類想要做什麼，以及 SRL 如何與使用者互相配合。「人類的意圖」在這個方向上還有很多需要探索的東西。

Q5：當多了一個機械臂時，你能用它做哪些有趣的事情？

在疫情出現之前，我們正在討論「端啤酒杯」機械臂穩定系統。如果你看過 YouTube 上那個著名的視頻就會有印象。雖然那個視頻還只是視覺特效，但現在我們有機會讓它成為現實了。目前我們面臨的挑戰是實時穩定手臂的位置和方向，或手臂的底座，從而實現「手掌」的穩定。如果實現的話我們就擁有了一個絕對穩定的平臺，可用於拍照、定位等任務。

「這是我們下一步的目標！」

參考內容：

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

原標題：《「第三隻手」機械臂上線：既可以採摘水果，也能錘破牆壁》

閱讀原文

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