全球首款柔性机器人手臂可开门开抽屉擦玻璃拧瓶盖

突破!真正的软机械臂来了

中国科学技术大学机器人团队开发出一种可以拧开瓶盖的机械臂。图片由研究组提供

■记者陈焕焕

在家开门、开抽屉、开瓶盖,到底有多难?

这些人类“电梯”是机器人无法攻击的“堡垒”。难度不亚于让机器人下围棋,这是传统刚性机械臂做不到的。

近日哈佛软体机器人,中国科学技术大学陈小平教授团队研制出世界上第一个可以开门、开抽屉、擦玻璃、拧瓶盖的柔性机械臂。相关成果发表在《国际机器人研究杂志》上。

“这是一项突破性的发展,将极大地丰富机器人的应用,让机器人更像活人而不是死机器。” 北京大数亿达科技有限公司CEO邓侃评论道。

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据了解,这项工作从发现问题到提出原理和实验验证,历时13年。

既“刺绣”又“举重”

说起机器人,人们常常把变形金刚当成图像。的确,传统机器人是刚性机器人,坚固但笨拙,让它们像张飞刺绣一样转动门把手。

这是因为刚性机器人的自由度是由关节控制的。一只手臂大约只有六七个自由度,而本研究中的柔性手臂有几十个自由度,可以根据使用需要更多。

研究团队提出了一种蜂窝式气动网络结构,由蜂窝和气囊组合而成。气囊充气时,依靠蜂窝六边形结构的变形,手臂可以灵活弯曲,向各个方向移动,从而完成许多灵巧的动作。由于气囊的存在,手臂的重量非常轻,可以通过3D打印技术制备,成本低,制备简单。

灵活的手臂不仅灵活,而且强大。不同于传统的硅胶材料,蜂窝结构允许研究人员使用更硬的材料,负载重量比为 1:1,使其既“刺绣”又“举重”。

此外,这只柔软的手臂还拥有刚性机器人无法企及的技能——借助尺子画直线。“如果机器人可以使用工具,将会有更广阔的应用空间。” 陈小平告诉中国科学报。

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长期从事人工智能研究的邓侃指出,这项工作具有三个方面的学术价值:第一,它摒弃了机械臂的传统做法,用柔性材料代替刚性材料,这是一项巨大的研究。仿生学的进步;二、蜂窝的使用这种新结构是材料和组织的巨大进步;第三,改变了机器人传统的一体化运行模式,权力分散,每个关节都有独立的决策权和自组织自学习能力。它是一种用于机器人操作的算法。新的探索。

目前,国内外对柔性夹爪进行了很多探索,但没有关于柔性臂的报道。

对此,邓侃表示,他面前的一些所谓软件兵种是“伪软”。比如南非著名的残疾运动员——“刀锋战士”,他的假肢是用弹簧钢板仿生豹后腿制作的,具有一定的弹性。“中国科学技术大学在这项研究中使用的柔性手臂'非常柔软',就像象鼻或蛇一样。”

陈小平说,手臂除了能灵活运动外,还能伸缩,更像是章鱼的触手。

13年还没走到尽头

这个手臂的故事要从13年前说起。

2008年,中科大机器人团队开始研制家政服务机器人可佳,后来又研制了情感机器人佳佳。长得不好看,但勤奋能干;佳佳聪明漂亮,善解人意。如果两者能合二为一,家政机器人就可以去大厅,去厨房。

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但在研究过程中,他们发现机器人的手很短哈佛软体机器人,而且极其不灵活。

2010年,哈佛大学首次制造出硅胶软体机器人。受此启发,陈小平提出制作气动软臂。

经过广泛的研究和多次失败,直到2013年,他们才最终决定采用蜂窝网络结构来实现气动软臂。然而,一群不懂材料和制造的计算机研究生,怎么能做出这样一个现实世界中并不存在的手臂呢?

“同学们真是折腾了好久,好在同学们动手能力比较强,找了各种材料去实验,最后手工做出了一个简单但基本的软件手臂。” 陈小平说。

与高精度控制的刚性机器人不同,即使一个软体机器人的充气量相同,每个气囊的变形量也可能不同,尤其是几十个气囊的叠加非常复杂。至此,这项研究终于回到了研究团队的老路——不确定性控制的问题。

此后,团队开始了对新控制算法的长期探索。相关论文获得2014年国际机器人智能研讨会最高奖——“会议最佳论文”奖,同时还获得最具创意“金钥匙”奖。

从发现刚性机器人无法克服的缺陷,到提出原理创新和完成实验验证,学生三更,13年悄然过去,但陈小平表示,工作还没有结束。

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“确定气动蜂窝网的结构后,我们提出理论,同时用实验验证。我们经常走在实验前面。现在我们面临两个任务,一个是构建一个完整的抽象理论,一个是构建一个完整的抽象理论。另一个是实现应用。” 陈小平强调,“科学他的理论不是用自然语言清楚表达的,必须抽象成数学语言。”

论文第一作者姜浩2014年加入团队时还是个“小弟”,现在已经成长为软体机器人研究组组长,一直从事本文涉及的研究3年。他认为这三年是值得的,因为“这篇论文足以证明我们实验室的实力”,蒋昊告诉中国科学报,毕业后他将继续留在组里作为博士后完成理论抽象相关工作。“后面还有很大的空间。”

陈小平说,原始创新的直接表现之一就是发表论文少。“我经常劝学生少写论文,但不能光靠思想工作。我还是要带着他们一步步克服困难,取得更好的进步。逐步研究结果”。

让机器走进人们的心里

机器人进入家庭最大的困难是什么?

经过长期研究,陈小平发现,关键在于环境的“非封闭性”,即人工智能无法有效处理场景中层出不穷的未知变量。例如,无人驾驶汽车在完全不受控制的自然环境中自动驾驶,识别人的内心想法等等。

例如,下棋时,无论对手是谁,每一步都只选择胜率最高的棋步。第一步有362个选择,第二步减少一个,每一步都选择最好的,这就是一个非封闭的移动。问题变成了一个封闭的问题。

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但是,家是典型的非封闭环境,不能完全封闭。因此,该方法无法训练合格的家用机器人。

“非封闭问题是最复杂的人工智能问题。” 陈小平说。

在人界,抓住门把手,往下按,往后一拉,门就开了。在机器世界中,这些步骤变成了感知、建模、规划和控制。如果任何链接不够准确,则可能会失败。换句话说,刚性机器人对密封的要求极高,甚至“不要靠近陌生人”。遇到人为的干扰就更惨了。

此前,陈小平团队曾在有人惹事生非的情况下,成功将微波炉与刚臂科佳机器人结合使用,部分解决了非封闭问题。

柔软的手臂这次巧妙地削弱了封闭性。在与环境交互时,既不需要精确的建模,也不需要精确的感知。实验证实,即使受到干扰,也能顺利完成任务。

“1998年日立第一次做爬楼梯机器人的时候,我们都觉得很神奇,涉及到动平衡。现在波士顿动力机器狗可以跳跃和翻身。看起来很耀眼,但本质上并没有那么像“前者。不同。柔性臂不同。这种自组装和自学习的方法将使机器人研究迈出一大步,并且会有更多的应用。” 邓侃说。

民政部2018年数据显示,我国有4000万残疾老人,但家政人员不足1700万,而且差距还在扩大。填补这一空白,正是陈小平研究家用机器人的初衷。现在他离这个目标又近了一步。他说:“技术的目标是改善人类的福祉。”

相关论文信息:

《中国科学报》(2021-04-19第4版综合)

关键词:哈佛软体机器人