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大數(shù)據(jù)文摘授權(quán)轉(zhuǎn)載自機(jī)器人大講堂

這個(gè)機(jī)械臂算是把乒乓球扣殺玩明白了：

一揮拍子，球速高達(dá)20m/s，給對(duì)手嚇得躲到了一邊：

把球拍換成網(wǎng)兜，還能做一個(gè)稱(chēng)職的接球助手：

換成難度更大的機(jī)械手，接球依舊很穩(wěn)：

這是馬克斯·普朗克研究所最新研發(fā)的機(jī)械臂PAMY2，以上是它經(jīng)過(guò)強(qiáng)化學(xué)習(xí)后的結(jié)果，PAMY2具有四個(gè)自由度，大小和人類(lèi)手臂差不多，利用肌腱驅(qū)動(dòng)，能精確且絲滑地完成任務(wù)。

它平衡了傳統(tǒng)機(jī)械臂無(wú)法完全達(dá)到的四要素：“高速”、“安全”、“精準(zhǔn)“、“耐用”，運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)12m/s，同時(shí)兼顧安全性，在它高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)接觸也不會(huì)有危險(xiǎn)：

高速且安全穩(wěn)定的機(jī)械臂

一個(gè)機(jī)械臂要同時(shí)做到“高速”、“安全”、“精準(zhǔn)”、“耐用”可不容易，傳統(tǒng)機(jī)械臂往往使用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種剛性笨重的設(shè)計(jì)使其在快速運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生過(guò)大的力，從而喪失了與人交互的安全性；但如果以高安全標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)運(yùn)動(dòng)，精確度有可能下降。

另一方面，尺寸較小或軟體機(jī)械臂可以安全精準(zhǔn)地與人互動(dòng)，但此類(lèi)機(jī)器人無(wú)法執(zhí)行高強(qiáng)度的力量，軟材料的耐用性較剛性材料來(lái)說(shuō)也比較差。

為了在這些關(guān)鍵要素中找到一個(gè)微妙的平衡點(diǎn)，馬克斯·普朗克研究所想到了肌腱驅(qū)動(dòng)，不同于其他機(jī)械臂的是，他們沒(méi)有把驅(qū)動(dòng)器放在機(jī)械臂關(guān)節(jié)上，而是放在底座上。

這樣一來(lái)，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量會(huì)大大減小，只有1.3kg，從而慣性也會(huì)減小、速度和安全性就會(huì)提升，使其在動(dòng)態(tài)任務(wù)中能夠高效且安全地運(yùn)行。

機(jī)械臂使用“氣動(dòng)人工肌肉”作為肌腱驅(qū)動(dòng)器，具有很好的被動(dòng)順應(yīng)性，大大地減小了外部碰撞時(shí)的峰值力。

與被動(dòng)順應(yīng)性相對(duì)的是主動(dòng)順應(yīng)，也就是利用傳感器數(shù)據(jù)和反饋控制來(lái)適應(yīng)和響應(yīng)外部力量，但如果反應(yīng)時(shí)間過(guò)長(zhǎng)，就無(wú)法防止損壞。而“氣動(dòng)人工肌肉”本身固有的柔軟和被動(dòng)順應(yīng)允許機(jī)器人在不需要復(fù)雜的控制方案的情況下吸收和消散外力，提升安全性。

獎(jiǎng)勵(lì)機(jī)制學(xué)習(xí)乒乓球扣殺

再來(lái)看看機(jī)械臂是如何學(xué)習(xí)乒乓球扣殺的。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)（RL）可以解決復(fù)雜的任務(wù)，如圍棋、仿真中的全身運(yùn)動(dòng)任務(wù)或機(jī)器人操縱等。然而，在現(xiàn)實(shí)世界中應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)時(shí)，通常需要對(duì)機(jī)器人進(jìn)行安全限制，以避免意外損壞。這對(duì)于慢速運(yùn)動(dòng)的任務(wù)很合適，但在乒乓球扣球具有較強(qiáng)的技巧性和爆發(fā)力，當(dāng)球一個(gè)飛來(lái)的時(shí)候，球拍應(yīng)該在遠(yuǎn)離球的位置就要加速，以獲得動(dòng)量并及時(shí)擊中球，普通強(qiáng)化學(xué)習(xí)的安全限制就不再適用于這種爆發(fā)性的動(dòng)作了。

因此，研究人員重點(diǎn)放在了利用氣動(dòng)人工肌肉對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行無(wú)模型強(qiáng)化學(xué)習(xí)，氣動(dòng)人工肌肉可通過(guò)調(diào)整壓力范圍使機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)，而它的柔軟和反驅(qū)動(dòng)性讓機(jī)械臂無(wú)法離開(kāi)自己的安全區(qū)域，所以就算解除了強(qiáng)化學(xué)習(xí)的安全限制，機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)依然是安全的。

機(jī)械臂由8個(gè)氣動(dòng)肌肉分別驅(qū)動(dòng)4個(gè)自由度，研究人員利用獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)定義任務(wù)目標(biāo)來(lái)訓(xùn)練機(jī)械臂，通過(guò)提供關(guān)于離球拍有多近的反饋，鼓勵(lì)機(jī)械臂更靠近球，并最終擊中球。該方法能夠直接在獎(jiǎng)勵(lì)函數(shù)中最大化回球的速度來(lái)支持高度加速的扣球。

在訓(xùn)練過(guò)程中，研究人員讓真實(shí)的機(jī)器人和一個(gè)模擬球進(jìn)行學(xué)習(xí)，這是機(jī)械臂開(kāi)始時(shí)的初始位：

學(xué)習(xí)一個(gè)動(dòng)作后，在擊球之前，它首先縮回來(lái)產(chǎn)生動(dòng)量，扣殺動(dòng)作中，球拍的速度達(dá)到了12米/秒：

減少摩擦，提升壽命

盡管機(jī)械臂采用的肌腱驅(qū)動(dòng)雖然有很多好處，但它還有個(gè)致命的缺點(diǎn)——容易受到摩擦，從而導(dǎo)致磨損和撕裂、降低機(jī)械臂的使用壽命。

為了減少摩擦，研究人員在機(jī)械臂的設(shè)計(jì)中采用了連續(xù)的聚四氟乙烯（PTFE）Bowden管，PTFE可以顯著減少摩擦，延長(zhǎng)肌腱的使用壽命；Bowden管還具有抗扭曲和分離的特性，有效減少肌腱纏繞的風(fēng)險(xiǎn)。

另外，研究人員設(shè)計(jì)的Bowden管還包括內(nèi)管和定制外部支撐元件，通過(guò)提供外部支撐來(lái)保持肌腱長(zhǎng)度恒定，從而有效地解耦不同關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)，提高整個(gè)系統(tǒng)的精度。

除了Bowden管外，研究人員還使用球軸承來(lái)替代傳統(tǒng)的滑動(dòng)軸承，提升了緊湊性，顯著減少了關(guān)節(jié)摩擦和靜摩擦。

為了促進(jìn)動(dòng)態(tài)機(jī)械臂任務(wù)的進(jìn)一步研究和開(kāi)發(fā)，馬克斯·普朗克研究所已經(jīng)將機(jī)器人的硬件和軟件組件都開(kāi)源了！

PAMY2機(jī)械臂設(shè)計(jì)與組裝所用到的部件都可以直接買(mǎi)到或者3D打印，還能與任意的電動(dòng)末端執(zhí)行器相結(jié)合，你可以安裝各種機(jī)械手、乒乓球拍等部件。

同時(shí)，他們還提供了開(kāi)源的軟件框架（o80框架），使用Python和c++的通用API來(lái)控制和監(jiān)控機(jī)器人。o80軟件框架與機(jī)器人的可編程邏輯控制器（PLC）通過(guò)UDP進(jìn)行通信，傳輸諸如機(jī)器人狀態(tài)（關(guān)節(jié)角度和速度、肌肉壓力和閥門(mén)位置）、動(dòng)作（目標(biāo)壓力或目標(biāo)關(guān)節(jié)位置，取決于控制模式）以及錯(cuò)誤信息等數(shù)據(jù)。

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