0
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論按：每年以 2 - 3 件仿生機(jī)器人生產(chǎn)速度不停擴(kuò)張仿生產(chǎn)品線的 Festo ，是一家德國(guó)自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商，近年來(lái)以外觀精巧奪目的仿生機(jī)器人頻頻登上科技新聞熱搜榜。近日，由其發(fā)布的一款最新仿生產(chǎn)品——?dú)鈩?dòng)機(jī)械臂，更是引入了強(qiáng)化學(xué)習(xí)及大規(guī)模并行學(xué)習(xí)等 AI 技術(shù)，使得仿生機(jī)器人的技能習(xí)得與技能同步變得更加便捷。
機(jī)械臂對(duì)于一組仿人機(jī)器協(xié)作組合的重要性不言而喻，作為機(jī)器人的末端執(zhí)行器( End-Effector )，我們需要它在日常生活中替代人類(lèi)雙手去完成抓握、轉(zhuǎn)動(dòng)、觸摸、按壓等任務(wù)。然而目前的機(jī)械臂依然面臨靈巧性欠缺、抓重比失衡、傳感器覆蓋率低、環(huán)境順從性低、高度集成性等難點(diǎn)，無(wú)法在實(shí)際中實(shí)現(xiàn)量產(chǎn)，也是各家機(jī)器人企業(yè)所卯足精力所要克服的技術(shù)難點(diǎn)。
而 Festo 的這款 BionicSoftHand 則為我們提供了一條新思路。
在硬件方面，BionicSoftHand 利用氣動(dòng)學(xué)，以氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)代替人體骨頭進(jìn)行動(dòng)作操控，當(dāng)氣室充滿(mǎn)空氣時(shí)，手指呈彎曲狀態(tài)；當(dāng)氣室被排空時(shí)，手指則呈伸展?fàn)顟B(tài)。此外，BionicSoftHand 在拇指與食指處配有旋轉(zhuǎn)模塊，可以讓手指橫向移動(dòng)，由此實(shí)現(xiàn)了多達(dá) 12 個(gè)自由度。
值得一提的是，這些氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)被封裝在具有彈性和高強(qiáng)度纖維的 3D 織物中，這也意味著，織物可以精確地定位并決定結(jié)構(gòu)應(yīng)該在哪些點(diǎn)上膨脹，從而產(chǎn)生力，并防止其過(guò)度膨脹。此外開(kāi)發(fā)人員還特別設(shè)計(jì)了一個(gè)小型數(shù)字控制閥島安裝在機(jī)械臂下方， 因而控制氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)的氣管無(wú)需貫穿整個(gè)機(jī)械臂，可以快速、輕松地進(jìn)行連接與使用。
至于軟件方面，AI 毫無(wú)疑問(wèn)是其主打亮點(diǎn)。
首先是強(qiáng)化學(xué)習(xí)方法的運(yùn)用，這意味著 BionicSoftHand 不僅僅是機(jī)械地模仿動(dòng)作，通過(guò)給出一個(gè)具體目標(biāo)，它會(huì)自己反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)來(lái)達(dá)成目標(biāo)。過(guò)程中，機(jī)械臂將根據(jù)反饋逐漸優(yōu)化動(dòng)作，直至成功解決任務(wù)。
此外，借助深度感應(yīng)攝像機(jī)數(shù)據(jù)以及人工智能算法，BionicSoftHand 會(huì)在虛擬環(huán)境中創(chuàng)建出一個(gè)“數(shù)字雙胞胎”，使我們可以在虛擬環(huán)境中對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)策略的相關(guān)訓(xùn)練，相比線下，將有效加快模型的訓(xùn)練速度。
而所謂大規(guī)模并行學(xué)習(xí)技術(shù)的引入，更是讓這些在模擬環(huán)境里習(xí)得的技能可以第一時(shí)間同步所有的虛擬機(jī)械臂，進(jìn)而轉(zhuǎn)移至實(shí)際中的機(jī)械臂中進(jìn)行使用。
這也意味著，所有失誤都只會(huì)出現(xiàn)一次，便會(huì)立刻被修復(fù)并同步至所有模型；而新技能只要被習(xí)得，就能無(wú)限復(fù)制至全球范圍的機(jī)械臂。
為了更客觀對(duì) BionicSoftHand 進(jìn)行評(píng)價(jià)，雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論為此專(zhuān)門(mén)采訪了意大利技術(shù)研究院（Italian Institute of Technology）仿人機(jī)電研究中心（Humanoid & Human Centered Mechatronics）的博士后研究員任賾宇。
氣動(dòng)原理在靈巧機(jī)械手的設(shè)計(jì)上不存在明顯優(yōu)勢(shì)
任賾宇在受訪時(shí)坦言，BionicSoftHand 單從最終所展示的 Demo 來(lái)看，并未讓他感到眼前一亮，因?yàn)樵?Demo 的核心主要是關(guān)于在運(yùn)動(dòng)控制上如何應(yīng)用強(qiáng)化學(xué)習(xí)的方法，使高自由度的機(jī)械手能夠輕易地進(jìn)行復(fù)雜的手部操作（In-hand manipulation），但如果與 OpenAI 去年使用 Shadow Hand 還原魔方的 Demo 比較的話(huà)（視頻鏈接：https://www.youtube.com/watch?v=sbfMo8u3LKw），他認(rèn)為還是有一定差距的。
在機(jī)械手本體的硬件設(shè)計(jì)上，對(duì)于氣動(dòng)類(lèi)原理驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，任賾宇表示這在機(jī)械手設(shè)計(jì)領(lǐng)域中屬于較為小眾的方案，優(yōu)勢(shì)不太明顯，且定位比較尷尬——能量密度比不上液壓方案，系統(tǒng)集成的簡(jiǎn)潔緊湊程度比不上電機(jī)方案。
不過(guò)對(duì)于 BionicSoftHand 的氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)，他則表示贊賞，他認(rèn)為這是一款新穎、基于氣動(dòng)原理的傳動(dòng)方案，簡(jiǎn)潔緊湊且合理，從 demo 看來(lái)實(shí)現(xiàn)的效果很好。從本質(zhì)上來(lái)說(shuō)，它是利用軟體材料的形變特性，氣體作為相應(yīng)的動(dòng)力傳遞介質(zhì)。
至于 BionicSoftHand 成功實(shí)現(xiàn)的12 個(gè)自由度，他則表示得綜合看待。
從生物解剖學(xué)的相關(guān)文獻(xiàn)來(lái)看，人類(lèi)的手是具有21個(gè)自由度（不包括手腕）的極高自由度密度的器官。Festo 這款機(jī)械手每根手指的曲折方向共有2個(gè)自由度，食指和拇指的側(cè)向擺動(dòng)又各有1個(gè)自由度，加起來(lái)一共是5*2+2=12個(gè)自由度。
賾宇個(gè)人認(rèn)為 12 個(gè)自由度是比較合適的自由度分布，既保證了操作功能上的靈巧性，又不至于使系統(tǒng)集成與控制由于高自由度而變得冗雜，導(dǎo)致實(shí)現(xiàn)成本較高。不過(guò)他強(qiáng)調(diào)，單單論自由度的數(shù)目，德國(guó)宇航局（DLR）曾經(jīng)靠 42 個(gè)電機(jī)實(shí)現(xiàn)了 21 個(gè)自由度。所以我們要關(guān)注的，是為了實(shí)現(xiàn)這12個(gè)自由度，F(xiàn)esto 使用的 24 個(gè)相應(yīng)的比例氣缸，對(duì)應(yīng)占用了多大的空間和質(zhì)量，從最后展示的緊湊機(jī)電系統(tǒng)來(lái)看，賾宇認(rèn)為是良好且合格的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。
總的來(lái)說(shuō)，由于 Festo 有大量的仿生學(xué)研究基礎(chǔ)，所以他所做的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是非常符合仿生學(xué)原理的。相較其他機(jī)器人研發(fā)單位，仿生機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)是 Festo 一個(gè)顯著的技術(shù)優(yōu)勢(shì)。
人工智能在機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)用
對(duì)于 BionicSoftHand 主打的“共享式”人工智能，任賾宇表示很認(rèn)可，畢竟未來(lái)的機(jī)器人世界肯定講究多機(jī)器人協(xié)作，這種上層訓(xùn)練的軌跡規(guī)劃、電機(jī)拖動(dòng)以及相應(yīng)的更高認(rèn)知層面的算法，如果能夠做到“一臺(tái)大腦云共享”，是能夠極大提高生產(chǎn)效率的。
不過(guò)被問(wèn)到相比傳統(tǒng)的控制算法，強(qiáng)化學(xué)習(xí)技術(shù)在機(jī)器人領(lǐng)域的運(yùn)用還存在哪些難點(diǎn)，任賾宇從他的科研背景與角度也給出了自己的思考，他覺(jué)得在目前硬件上的落地還存在一些局限性：
訓(xùn)練周期長(zhǎng)
可供采集的樣本少
復(fù)雜機(jī)電系統(tǒng)帶來(lái)的corner case
如何設(shè)置reward
仿真模型和實(shí)際模型差距較大
至于人工智能要想在機(jī)器人領(lǐng)域全面鋪開(kāi)，他表示整體在如下兩點(diǎn)上還面臨極大的挑戰(zhàn)：
算法層面，面向更為靈活、更高維度、甚至涉及道德倫理的應(yīng)用場(chǎng)景，現(xiàn)階段的算法其實(shí)是“不智能”的。我們本質(zhì)上還沒(méi)有研究透人類(lèi)大腦發(fā)展和進(jìn)化的模式，現(xiàn)在的訓(xùn)練在數(shù)據(jù)量大、較為機(jī)械的應(yīng)用場(chǎng)景取得了很好的效果，但這目前還是不夠的。
硬件平臺(tái)層面，我們生活的世界目前還是物質(zhì)的，人工智能的全面落地還是需要一個(gè)物理世界的實(shí)際載體的。但相較于現(xiàn)在蓬勃發(fā)展的上層應(yīng)用（AI）而言，物理平臺(tái)的各方面能力實(shí)際上是有所欠缺的，屬于木桶效應(yīng)中的短板。
任賾宇最后強(qiáng)調(diào)，他主要是按照對(duì)比波士頓動(dòng)力（Boston Dynamics Institute）的要求去評(píng)判的， 相對(duì)來(lái)說(shuō)是非?？量痰?。如果放眼全球以一個(gè)平均水準(zhǔn)來(lái)看，BionicSoftHand 實(shí)際上已經(jīng)是相當(dāng)好的工作了。他舉了一個(gè)例子，BionicSoftHand 的手指上集成了非常緊湊的IMU 和tactile sensor，這樣的尺寸從工程技術(shù)實(shí)現(xiàn)角度而言是十分不容易的了。
Festo 仿生家族的其他成員
Festo是一家歷史悠久的家族企業(yè)，由德國(guó)人Gottlieb Stoll一手創(chuàng)立，成立于1925年，是當(dāng)今世界上著名的氣動(dòng)元件、組件和系統(tǒng)的生產(chǎn)廠商。從2006年開(kāi)始，F(xiàn)esto就與幾家大學(xué)、研究所及開(kāi)發(fā)公司一起合作創(chuàng)立了Bionic（仿生）學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)，這些仿生機(jī)器人就是出自這個(gè)項(xiàng)目。一起來(lái)看看這個(gè)項(xiàng)目曾經(jīng)誕生過(guò)哪些明星產(chǎn)品吧！
仿生蝙蝠機(jī)器人 — BionicFlyingFox
狐蝠機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)由多個(gè)不同型號(hào)的電機(jī)控制，并采用機(jī)械耦合的形式結(jié)合在一起。較大的無(wú)刷直流電機(jī)可以控制機(jī)器人翅膀的拍打動(dòng)作，小型電機(jī)們分別調(diào)節(jié)翅膀的每個(gè)關(guān)節(jié)，來(lái)達(dá)到控制飛行高度與方向的目的。其運(yùn)用了模仿飛行哺乳動(dòng)物翅膀特性的膜制作BionicFlyingFox的翅膀，這種彈性纖維材料（超級(jí)氨綸纖維），不會(huì)折皺或者撕裂，由兩層密封薄膜和一塊針織彈性纖維織物組成。織物本身具有彈性，表面是蜂窩結(jié)構(gòu)，有大約45000個(gè)節(jié)點(diǎn)，這樣無(wú)論蝙蝠有多大動(dòng)作都不用擔(dān)心變形，且穩(wěn)定的幾何結(jié)構(gòu)使面料受到輕微損傷時(shí)，裂縫也不會(huì)變大能保持繼續(xù)飛行。
仿生蜘蛛機(jī)器人 — BionicWheelBot
BionicWheelBot 是一款獨(dú)具特色的行走機(jī)器人，以摩洛哥后翻蜘蛛為靈感，能夠模仿摩洛哥后翻蜘蛛以翻滾模式在復(fù)雜地形上移動(dòng)。其由15個(gè)小型電機(jī)控制著各個(gè)膝關(guān)節(jié)和身體。還有14個(gè)自動(dòng)鎖定渦輪確保機(jī)器人在移動(dòng)某些腿部時(shí)，身體保持靜止和直立。由于集成慣性傳感器，它能知道自己滾到什么位置時(shí)可以再次伸出相應(yīng)的腿向前擺渡。而且它在滾動(dòng)時(shí)比走路時(shí)快得多，甚至可以克服高達(dá)5％的上坡傾斜。當(dāng)機(jī)器人從行走模式向翻滾模式轉(zhuǎn)變，BionicWheelBot 會(huì)將身體左右兩側(cè)的三條支腳轉(zhuǎn)變?yōu)?" 車(chē)輪 "。而兩條在行走模式下折收起來(lái)的支腳現(xiàn)在重新獲得釋放，并在地面上推動(dòng)變?yōu)榍蛐蔚闹┲腴_(kāi)始運(yùn)動(dòng)，同時(shí)在翻滾過(guò)程中提供沖力。
仿生海扁蟲(chóng)機(jī)器人 — BionicFinWave
以?xún)善彳浀奈z（Silicone）代替烏賊肉鰭，透過(guò)左右各9個(gè)支點(diǎn)協(xié)助進(jìn)行波浪狀拍動(dòng)，厲害的是，這復(fù)雜的結(jié)構(gòu)僅由2顆伺服馬達(dá)驅(qū)動(dòng)，并由另一顆馬達(dá)負(fù)責(zé)身體彎曲，控制機(jī)器人往上、下方游動(dòng)。以這種方式，它們可以產(chǎn)生不同的波形，特別適合于慢速和精確運(yùn)動(dòng)，并且相比傳統(tǒng)的螺旋傳動(dòng)器所攪拌的水量更少，更加節(jié)能。而且由于材料柔軟，使它能夠在狹小的管道內(nèi)也能暢游無(wú)阻。為了使曲軸具有相應(yīng)的柔性和靈活性，每個(gè)桿段之間都設(shè)有萬(wàn)向接頭。為此，包括接頭和曲柄連桿在內(nèi)的曲軸以塑料打造而成，采用一體成型3D打印工藝。
仿生袋鼠機(jī)器人 — BionicKangaroo
機(jī)器人為氣動(dòng)系統(tǒng)所控制，在觸地爪部?jī)?nèi)層的壓縮空氣推力作用下，實(shí)現(xiàn)向上向前地跳躍動(dòng)作。這款機(jī)器人每完成一次跳躍動(dòng)作，其爪部便會(huì)儲(chǔ)存空氣能量以繼續(xù)下一次的跳躍動(dòng)作。袋鼠重7公斤高1米，之所以能跳，是因?yàn)樗b配了一個(gè)彈簧和氣動(dòng)缸。在跳躍能力上，可以說(shuō)是非常厲害了——水平跳躍可達(dá)0.4米，垂直跳躍則達(dá)到了0.8米，更重要的是，它還能完成連續(xù)跳躍。
仿生螞蟻機(jī)器人 — BionicANTs
每只螞蟻約巴掌大小，環(huán)繞身體的條紋是3D打印上去的電路。其胸部?jī)?nèi)置了一個(gè)光電鼠標(biāo)傳感器以便位置追蹤。而螞蟻的眼睛是一部攝像頭的兩部分， 根據(jù)攝像頭提供的空間信息，螞蟻移動(dòng)位置、鎖定并抓任務(wù)目標(biāo)。 他們彼此之間通過(guò)無(wú)線進(jìn)行交流，而地板上的傳感器則能幫助他們「體察」周?chē)h(huán)境。值得一提的是，螞蟻肢體由六個(gè)壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器（actuator ）組成，能夠?qū)崿F(xiàn)快速、精確地彎曲，并保持步伐緊湊，非常地節(jié)能。需要強(qiáng)調(diào)的是，當(dāng)前將壓電陶瓷驅(qū)動(dòng)器應(yīng)用到如此微小機(jī)器人的很罕見(jiàn)。
仿生企鵝機(jī)器人 — AquaPenguin + AirPenguin
它內(nèi)置了自主判定系統(tǒng)，可根據(jù)水流自行導(dǎo)航定位，另外還設(shè)計(jì)了3D聲納系統(tǒng)，可以靠聲波感知其它企鵝，防止撞到一塊。一旦機(jī)器人放飛自我，又將化身為天空翱翔的 AirPenguin，由一個(gè)形似飛艇的氣囊和鰭狀肢組成，兩邊的腳蹼可以提供向前的推力，尾鰭和鼻尖處均可自由活動(dòng)。此外，該機(jī)器人還配備了復(fù)雜的導(dǎo)航和通信設(shè)施，允許他們自主或根據(jù)固定規(guī)則進(jìn)行自主探索。
仿生蝴蝶機(jī)器人 — eMotionButterfly
eMotionButterfly配有高度集成的電子面板，使它們能夠各自地，且精確地激活翅膀，從而實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)動(dòng)。為了保證飛行過(guò)程的可靠穩(wěn)定，持續(xù)的通訊是必不可少的，eMotionButterfly面板上無(wú)線電和傳感器技術(shù)以及引導(dǎo)和監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的結(jié)合實(shí)現(xiàn)了單個(gè)飛行體的定位。一旦機(jī)器人離開(kāi)設(shè)定路徑，計(jì)算機(jī)會(huì)立即對(duì)其糾正。 為此，攝像跟蹤系統(tǒng)每秒會(huì)對(duì)機(jī)器人的精確實(shí)際位置進(jìn)行160次測(cè)量，重新調(diào)整每個(gè)偏差。 因此飛行路徑的規(guī)劃是不斷更新的，此外計(jì)算機(jī)還能及時(shí)檢測(cè)到潛在的碰撞風(fēng)險(xiǎn)，以設(shè)定出適當(dāng)?shù)幕乇懿呗浴?/span>
雷鋒網(wǎng) AI 科技評(píng)論
雷峰網(wǎng)原創(chuàng)文章，未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載。詳情見(jiàn)轉(zhuǎn)載須知。
