機(jī)械手也會寫字了！

最近，西安交大畢業(yè)生杭凱宇研發(fā)出一款算法，只需提前設(shè)計好路線，機(jī)械手就能寫出英文單詞“SCIENCE”，平均控制精度高達(dá) 0.42 ± 0.34 mm。

通過該算法，機(jī)械手還能操作迷宮模型，并控制小球按照特定路線、走向迷宮終點(diǎn)。在沒有任何位置約束的前提下，機(jī)械手的方向控制精度達(dá) 1.20° ± 1.38°。

在堆疊杯子的應(yīng)用中，針對桌上五個杯子，機(jī)械手能按大小順序、依次拿起其中四個，然后堆疊到藍(lán)色杯子上。

為讓任務(wù)更具挑戰(zhàn)性，杭凱宇將杯子隨機(jī)傾斜擺放，要求機(jī)械手必須始終從桌子的垂直方向來接近和抓取杯子。即便如此，機(jī)械手仍能完成任務(wù)，并可把控制精度在 2.1 ± 0.92 mm。

而且，就像壁虎尾巴斷了還能長出來一樣，假如機(jī)械手的手指壞掉，換上新的還可照樣工作。

這一切都得益于本次算法，他告訴 DeepTech，以往基于模型的機(jī)器人操控系統(tǒng)，往往依賴模型參數(shù)。這些參數(shù)要么來自先驗(yàn)知識，要么來自傳感模塊的實(shí)時捕捉，比如基于視覺、觸覺和力覺的傳感器等。然而，這種基于模型的操控系統(tǒng)，需要非常多的模型參數(shù)。

假如遇到不穩(wěn)定的物理環(huán)境，亦或者機(jī)器人尺寸比較有限，傳感模塊的數(shù)量和性能也會被限制。如果機(jī)器人的執(zhí)行環(huán)境比較陌生，同時又缺乏先驗(yàn)知識，那么操控系統(tǒng)就會陷入無參數(shù)可用的尷尬境地，相關(guān)功能會遭受極大影響。

已從西安交大畢業(yè)、目前正在耶魯大學(xué)做博后研究的杭凱宇，攻克了上述難題，并以上面幾個案例證明了算法可用性。

他以第一作者身份撰寫了相關(guān)論文，并于近日發(fā)表在 Science Robotics 上，論文題為《以機(jī)器人操作實(shí)現(xiàn)自我識別， 和以自我識別實(shí)現(xiàn)更好的機(jī)器人操作》（Manipulation for self-Identification, and self-Identification for better manipulation）。

據(jù)悉，基于虛擬鏈接模型（Virtual linkage-based representations，VLR）的概念，杭凱宇研發(fā)出上述新算法，該算法可通過探索性操控動作、以及概率推理，去自我識別機(jī)械手、和目標(biāo)物體之間的基本互動機(jī)制，從而讓機(jī)械手實(shí)現(xiàn)精確操控。

在實(shí)驗(yàn)中，他將算法應(yīng)用到一款名為 Yale Model O 的欠驅(qū)動機(jī)械手上，該機(jī)械手既沒有關(guān)節(jié)編碼器、也沒有觸覺傳感器。

但即便在缺少傳感模塊的情況下，搭載該算法的機(jī)械手也具備被動適應(yīng)能力，從而極大促進(jìn)自我識別過程，并能確保機(jī)械手在隨機(jī)探索過程中、與目標(biāo)物體的穩(wěn)定交互。

據(jù)悉，該系統(tǒng)只依靠機(jī)械手上的手內(nèi)攝像頭，即使給原裝手指增加新設(shè)計，它也能有效地自我識別。

從人類第一次知道火苗燙手說起

事實(shí)上，傳統(tǒng)基于模型的操控系統(tǒng)，除了需要較多模型參數(shù)，還面臨著多模態(tài)傳感、硬件設(shè)計、規(guī)劃和控制等復(fù)雜問題。

此前，已有學(xué)者使用傳統(tǒng)設(shè)計理念簡化了個別問題。仍以可抓取物體的機(jī)械手為例，雖然它能通過手臂運(yùn)動完成拾取和放置等任務(wù)，但這種方法不僅缺乏靈活，能耗也比較高，用戶在使用時也不安全。

正因此，許多學(xué)者都嘗試打造與人類靈巧雙手類似的機(jī)械手，即僅憑手指運(yùn)動就能提供目標(biāo)性更強(qiáng)的物體操控。但是，機(jī)械手的高敏捷性和高自由度，也意味著更復(fù)雜的控制系統(tǒng)，所以同時協(xié)調(diào)多根手指、并進(jìn)行穩(wěn)健操作并非一件易事。

在該研究中，杭凱宇嘗試用最少的傳感模塊，讓機(jī)械手去識別自己與物體互動時所需的參數(shù)。

期間，他提出一種自我識別概念，可將機(jī)械手操控的傳統(tǒng)范式從感知-規(guī)劃-行動，轉(zhuǎn)變?yōu)樾袆?感知-規(guī)劃。

這種轉(zhuǎn)變后的范式，對你我來說并不陌生。比如，人類首次面對火苗時，可能并不知道它會燒傷人類，當(dāng)用手指觸摸火苗，感到極其燙手之后，才明白原來火苗不可用手直接碰觸，這便是先行動后感知的范式。

存在的意義是什么？機(jī)械手自己就能解釋

近年來，各種機(jī)械手層出不窮。但是，每個機(jī)械手與物體的互動系統(tǒng)各不相同，即使是同一物體和同一只機(jī)械手，每次抓握時的接觸位置、機(jī)械手的關(guān)節(jié)配置、以及力量分布等參數(shù)也不一樣。而這些復(fù)雜的參數(shù)，也組成了機(jī)械手操控機(jī)制的基本參數(shù)。

盡管參數(shù)并非恒定，但本次研究中的機(jī)械手系統(tǒng)，具備通用且不變的屬性，因此可有效描述機(jī)械手和物體之間的相互作用。

基于此，杭凱宇制定了一款框架，它主要面向運(yùn)動學(xué)約束，在捕捉到機(jī)械手和物體的屬性后，借助該框架即可進(jìn)行建模。

所謂虛擬鏈接（Virtual linkage），指的是先在機(jī)械手模型中建立虛擬鏈接，然后將觸點(diǎn)、關(guān)節(jié)和操控點(diǎn)三者連接起來。由于不同物體的抓握方式不同，因此會生成不同的連接方式。

和多數(shù)傳統(tǒng)方法不同的是，當(dāng)機(jī)械手接觸物體、并處于穩(wěn)定狀態(tài)時，即使沒有機(jī)械手或者物體的任何幾何信息，虛擬鏈接模型也能描述系統(tǒng)運(yùn)動。

就在這時難題來了，虛擬鏈接模型以接觸點(diǎn)為中心，要想讓它正確反映出物理系統(tǒng)，機(jī)械手所接觸位置的精度至關(guān)重要。

要想拓寬虛擬鏈接模型的應(yīng)用范圍，就得讓它在沒有傳感器的前提下，也具備預(yù)估接觸位置的能力。

此外，虛擬鏈接模型的虛擬鏈接和關(guān)節(jié)配置也要進(jìn)行實(shí)時更新。但是，機(jī)械手關(guān)節(jié)的角度配置，取決于機(jī)械手與物體接觸的角度，而這種角度參數(shù)無法從關(guān)節(jié)編碼器中直接獲取。

為解決該挑戰(zhàn)，杭凱宇又開發(fā)出一套自我識別機(jī)制。在該機(jī)制下，機(jī)械手不僅能解釋自身的存在，也能解釋從機(jī)械手電機(jī)運(yùn)動、到機(jī)械手自身行為的映射，以及機(jī)械手的運(yùn)動行為如何與世界交互。

斷指之后，換上新手指照樣能抓握物體

一般來說，機(jī)械手在感知自身變化、以及自身行為產(chǎn)生的外界變化時，采用的是交互式感知法。期間，機(jī)械手會不斷估算本體行為和運(yùn)動行為，但是僅憑虛擬鏈接模型，機(jī)械手無法對控制系統(tǒng)進(jìn)行建模。

故此，杭凱宇引入一系列物理屬性如摩擦系數(shù)、關(guān)節(jié)扭力限制和物體重量，這些物理屬性能描述出機(jī)械手和物體之間的動力學(xué)模型。

為了找到未知參數(shù)，機(jī)械手會通過執(zhí)行一些探索性操作，借此來嘗試和物體互動。在互動初期，雖然它還不能精準(zhǔn)控制物體，但不斷增加探索時間和次數(shù)，就能逐漸估算出來原本未知的參數(shù)，最終實(shí)現(xiàn)參數(shù)的自我識別。

為了驗(yàn)證自我識別的表現(xiàn)，杭凱宇將虛擬鏈接模型應(yīng)用到 Yale Model O 機(jī)械手上，該機(jī)械手有三根手指，分別是左指、右指和拇指，其中左指和右指之間有連接關(guān)節(jié)。

其中，每根手指都配有兩個關(guān)節(jié)，里面的彈簧負(fù)責(zé)控制手指，此外還有電機(jī)帶動肌腱來驅(qū)動手指。當(dāng)電機(jī)動作導(dǎo)致肌腱長度改變時，手指關(guān)節(jié)會根據(jù)彈簧的柔度重新配置。

實(shí)驗(yàn)中，杭凱宇使用了四個攝像頭，它們的分布如下：為省去外部感知設(shè)備以及額外校準(zhǔn)，機(jī)械手上只安裝了一個手內(nèi)攝像頭，來觀察操控點(diǎn)的運(yùn)動狀態(tài)；余下三個攝像頭都安裝在觀察架上，用來捕捉指尖的活動、以及收集相關(guān)數(shù)據(jù)。

在實(shí)驗(yàn)中，由虛擬鏈接模型和自我識別驅(qū)動的機(jī)械手，主要面臨三方面挑戰(zhàn)：一是由于不使用編碼器，因此無法獲得關(guān)節(jié)配置數(shù)據(jù)；二是沒有觸覺傳感器，故此無法直接獲得位置一類的接觸信息；三是關(guān)節(jié)不具備單獨(dú)控制的能力，所以機(jī)械手沒有完整驅(qū)動。

除文章開頭的應(yīng)用展示之外，杭凱宇還測試了機(jī)器手在原裝手指被替換后的表現(xiàn)。在實(shí)際應(yīng)用中，給機(jī)械手更換零件屬于常事，有時還會面臨原裝零件缺貨，只能用類似零件暫時代替的狀況。

在測試中，他分別假設(shè)一根、兩根、三根手指斷裂并需要更換的情況，為讓實(shí)驗(yàn)更具挑戰(zhàn)性，他還使用了三種長短和形狀各不相同的替換手指。

結(jié)果顯示，被替換的手指越多，機(jī)械手的控制精度下滑就越厲害，這具體體現(xiàn)在模型對手指長短和關(guān)節(jié)位置的估算誤差上，但多出來的誤差并未對機(jī)械手的表現(xiàn)造成太大影響，自我識別框架和虛擬鏈接模型都能較好、較快地適應(yīng)新手指，并重新掌握操控物體的“竅門”。

本次成果可被 Science Robotics報道，也得益于他在機(jī)器人工程領(lǐng)域的多年積累。其本科畢業(yè)于西安交通大學(xué)信息工程系，碩士專業(yè)是通信系統(tǒng)專業(yè)，博士專業(yè)則是機(jī)器人專業(yè)。其中，碩士和博士均就讀于瑞典皇家理工學(xué)院（KTH Royal Institute of Technology），博士畢業(yè)后來到耶魯大學(xué)做博士后研究。

關(guān)于該成果的應(yīng)用，杭凱宇表示凡是需要在復(fù)雜環(huán)境中工作的機(jī)械手，都可使用該成果。尤其在物理不確定性較大，以及可用感知器無法完全支持精準(zhǔn)操作的情況下，比如工業(yè)機(jī)器人、家用服務(wù)機(jī)器人和醫(yī)療機(jī)器人等均可搭載虛擬鏈接系統(tǒng)。

原文標(biāo)題：中國青年科學(xué)家讓耶魯機(jī)械手“斷指重生”，自研算法模型，少量參數(shù)即可實(shí)現(xiàn)寫字和走迷宮 | 專訪

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