中國(guó)科大展示軟體機(jī)器人手臂在日常生活中的巨大應(yīng)用潛力

軟體機(jī)器人手臂由于具有本質(zhì)柔順性和連續(xù)變形特性，在智能制造、醫(yī)療康復(fù)，家庭服務(wù)等領(lǐng)域有巨大的研究?jī)r(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。最新一期的機(jī)器人頂刊《The International Journal of Robotics Research》(IJRR)刊發(fā)了中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)（中國(guó)科大）陳小平教授團(tuán)隊(duì)在軟體機(jī)器人手臂上的研究進(jìn)展，展示了軟體機(jī)器人手臂在日常生活中的巨大應(yīng)用潛力。

打開一個(gè)門很難嗎？

讓剛性機(jī)器人執(zhí)行開門任務(wù)并不簡(jiǎn)單。為了完成這一任務(wù)，需要精確的感知，建模，規(guī)劃，控制。一旦中間任何一環(huán)出現(xiàn)差錯(cuò)都可能造成不可挽回的后果。

然而開門對(duì)于人來(lái)說(shuō)很容易。抓住門把手，向下壓，再往后一拉就行了。

機(jī)器人能否像人一樣輕松地執(zhí)行生活中的操縱任務(wù)呢？

在最新一期的IJRR中，中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)的研究團(tuán)隊(duì)展示了一種使用軟體機(jī)器人手臂輕松完成生活中各種任務(wù)的方法。這種方法從人執(zhí)行操縱任務(wù)的行為方式中汲取靈感，利用軟體機(jī)器人手臂的被動(dòng)柔順性，展示出了一種全新的機(jī)器人與環(huán)境交互的方式。

得益于被動(dòng)柔順性，軟手臂在跟環(huán)境交互的時(shí)候，不需要提前對(duì)環(huán)境進(jìn)行精確建模，也不需要力傳感器精確的感知環(huán)境接觸力，即使執(zhí)行任務(wù)過(guò)程中被人為“搗亂”也不影響完成任務(wù)。

不光是開門開抽屜，擦玻璃、開擰瓶蓋都不在話下。以后力氣小的妹子擰不開瓶蓋可以找軟體機(jī)器人幫忙了。

剛?cè)岷弦坏慕Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

象鼻是自然界中即柔順靈活又很有力氣的軟體器官。受象鼻啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)。并基于這種結(jié)構(gòu)，制備了像象鼻一樣兼具靈活度和大負(fù)載能力的軟體手臂。手臂的負(fù)載自重比達(dá)到了1:1。

蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)是蜂巢和氣囊的結(jié)合，當(dāng)氣囊充氣時(shí)，依靠蜂巢的結(jié)構(gòu)形變，產(chǎn)生不同方向的彎曲運(yùn)動(dòng)或者伸長(zhǎng)運(yùn)動(dòng)。

“剛?cè)岷弦弧钡姆涑矚鈩?dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)

目前大多數(shù)軟體機(jī)器人（如柔性手爪、水下軟體機(jī)器人、軟體手術(shù)機(jī)器人）使用比較軟的柔性材料作為主體，比如硅膠。這類軟體機(jī)器人通過(guò)壓縮流體、記憶合金等方式驅(qū)動(dòng)柔性材料形變從而產(chǎn)生機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)。這種機(jī)器人受限于材料特性，很難做到大負(fù)載。

蜂巢氣動(dòng)網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)，其變形是由構(gòu)成蜂巢的六邊形的折疊、伸展提供的。這種結(jié)構(gòu)使得我們可以用相對(duì)比較硬的材料制做軟手臂，在實(shí)現(xiàn)大負(fù)載能力的同時(shí)，手臂可以沿各個(gè)方向彎曲伸長(zhǎng)，兼具靈活性。

在該研究中，研究者使用3D打印技術(shù)制備蜂巢結(jié)構(gòu)，成本低，制備簡(jiǎn)單，便于維護(hù)，且很耐用。

從人執(zhí)行操縱任務(wù)的行為方式中汲取靈感

受人完成交互任務(wù)的啟發(fā)，研究團(tuán)隊(duì)提出了一種基于“行為”的控制方式。行為代表著一種運(yùn)動(dòng)趨勢(shì)，以轉(zhuǎn)手輪為例，只需要“向前，向下，向后，向上”這四個(gè)行為，就能將手輪轉(zhuǎn)動(dòng)一圈。

就像教一個(gè)孩子開門，只要告訴他“抓住門把手，向下壓，再向后拉”一樣。研究者提出的基于行為的控制使得我們可以用相似的方式與機(jī)器人溝通。

One more thing

軟體機(jī)器人手臂的控制精度往往不如剛性手臂高，那如何用軟體手臂完成更加精細(xì)的任務(wù)呢？其實(shí)人手臂的精度也不高，往往通過(guò)借助工具來(lái)完成精細(xì)的任務(wù)。比如畫一條直線，多數(shù)情況下需要借助尺子。研究者展示了軟手臂也可以借助尺子畫一條直線。

讓機(jī)器人像人一樣使用工具這一想法，為軟機(jī)器人的應(yīng)用打開了更廣闊的空間。

該工作由中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)陳小平教授帶領(lǐng)的科研團(tuán)隊(duì)研究完成。團(tuán)隊(duì)成員包括姜皓、王展翅、金渝松、李佩津、干英豪、陳曉彤、林森。該團(tuán)隊(duì)已經(jīng)在軟體機(jī)器人領(lǐng)域研究了近十年，相關(guān)研究先后獲得IEEE ROBIO 2016最佳會(huì)議論文獎(jiǎng)和哈佛大學(xué)軟體機(jī)器人挑戰(zhàn)賽第二名。團(tuán)隊(duì)成員表示：“接下來(lái)團(tuán)隊(duì)將繼續(xù)從自然界汲取靈感，開展軟體機(jī)器人的相關(guān)研究，拓展機(jī)器人技術(shù)的邊界，爭(zhēng)取早日讓機(jī)器人早日走進(jìn)千家萬(wàn)戶”。

原文標(biāo)題：機(jī)器人頂刊IJRR：中國(guó)科大自主研發(fā)低成本軟體機(jī)器人手臂，輕松完成生活中的操縱任務(wù)

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