新技能，機(jī)器人可通過自帶的 CAD數(shù)據(jù)實(shí)現(xiàn)自我維修

編輯部編譯

如今，越來越多的機(jī)器人開始走向家庭場(chǎng)景，化身我們的生活好幫手。但當(dāng)它們出現(xiàn)故障時(shí)需要花費(fèi)大量的維修成本，能不能暢想一下讓機(jī)器人實(shí)現(xiàn)“自我維修”？最近，東京大學(xué)的科學(xué)家們提出了一種新方法，當(dāng)機(jī)器人身上的螺釘出現(xiàn)松動(dòng)時(shí)，機(jī)器人可以通過自身帶有的CAD數(shù)據(jù)精準(zhǔn)計(jì)算出松動(dòng)螺釘?shù)奈恢?，進(jìn)而使用螺絲刀進(jìn)行擰緊松動(dòng)螺釘?shù)牟僮鳎瑢?shí)現(xiàn)機(jī)器人的自我修復(fù)和自我拉伸。

在本文中，我們提出了一種用于機(jī)器人使用驅(qū)動(dòng)裝置擰緊自身螺釘?shù)姆椒?，該方法可以?shí)現(xiàn)機(jī)器人的自我修復(fù)和自我拉伸。對(duì)于機(jī)器人來說，擰緊自身螺釘有兩個(gè)困難。首先，需要精確計(jì)算螺釘位置，當(dāng)使用攝像機(jī)對(duì)可視圖像進(jìn)行計(jì)算時(shí)，觀測(cè)誤差非常大。機(jī)器人的優(yōu)點(diǎn)是它具有自身身體的CAD數(shù)據(jù)，基于此，它便可以利用自身的CAD數(shù)據(jù)計(jì)算出精確的螺釘位置。其次，由于在擰緊自身螺釘時(shí)所形成的環(huán)閉合度很小，無法解決反向動(dòng)力學(xué)問題，因此機(jī)器人有時(shí)無法移動(dòng)螺絲刀以使其繞螺釘旋轉(zhuǎn)。為了解決這些問題，我們提出了一種新方法，可以在無法解決反向動(dòng)力學(xué)問題的情況下，通過重新抓住螺絲刀來實(shí)現(xiàn)擰緊動(dòng)作的生成。通過這些方法，類人機(jī)器人PR2和HIRO通過擰緊自身螺釘實(shí)現(xiàn)了自我修復(fù)和自我拉伸。

介紹

隨著技術(shù)的不斷進(jìn)步，類人機(jī)器人（Humanoid robots）有望在家庭環(huán)境或?yàn)?zāi)難現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行持續(xù)性工作，然而，機(jī)器人的硬件有時(shí)會(huì)出現(xiàn)故障，需要維修。因此，對(duì)于類人機(jī)器人來說，掌握自我修復(fù)的方法至關(guān)重要。我們?nèi)祟惪梢酝ㄟ^視覺信息察覺到自己的異常情況，進(jìn)而計(jì)劃修復(fù)，并在需要時(shí)使用適當(dāng)?shù)墓ぞ邎?zhí)行該計(jì)劃。類似地，我們希望類人機(jī)器人自己能夠修復(fù)自己的身體。對(duì)于機(jī)器人來說，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)螺釘松動(dòng)需要修理的情況。因此，在本文中，我們主要研究的是機(jī)器人自己擰緊松動(dòng)的螺釘進(jìn)行自我修復(fù)的情況。另外，機(jī)器人可以通過擰緊螺釘來實(shí)現(xiàn)自我伸展，因此我們的研究也將重點(diǎn)放在機(jī)器人的自我拉伸上。

對(duì)于包括類人機(jī)器人在內(nèi)的機(jī)器人來說，它們的優(yōu)點(diǎn)之一是具有自己的軟件/硬件設(shè)計(jì)信息。基于此，機(jī)器人通過使用自身描述硬件信息的CAD數(shù)據(jù)，比基于視覺的計(jì)算更精確地實(shí)現(xiàn)了螺釘姿勢(shì)的計(jì)算。STEP文件作為CAD數(shù)據(jù)的一種格式，被廣泛地用作中間文件，因此，在該研究中我們也使用這種格式，使用FreeCAD從STEP文件中提取每個(gè)部分。

當(dāng)對(duì)一個(gè)外部對(duì)象而不是機(jī)器人本身進(jìn)行擰緊螺釘?shù)牟僮鲿r(shí)，該機(jī)器人可以相對(duì)于這個(gè)對(duì)象進(jìn)行移動(dòng)，但在擰緊自身螺釘?shù)那闆r下，反向動(dòng)力學(xué)的可解性由于連接所形成的環(huán)封閉程度小而受到很大限制。因此，在本研究中，當(dāng)反向動(dòng)力學(xué)問題無法求解時(shí)，可以通過改變抓握姿勢(shì)而不改變工具的姿勢(shì)來解決這一問題，我們將其稱之為重新抓取。結(jié)合這些方法，我們的目標(biāo)是使機(jī)器人在沒有任何幫助的情況下擰緊自身的螺釘。

相關(guān)研究

實(shí)際上，關(guān)于機(jī)器人自我修復(fù)、自我治愈或自我安裝的話題已經(jīng)得到了廣泛研究。一些模塊化機(jī)器人可以進(jìn)行自我重新配置，但是，模塊化機(jī)器人在強(qiáng)度、精度以及機(jī)械和電氣穩(wěn)定性方面具有一定的局限性。為此，研究者們還開發(fā)了自我修復(fù)系統(tǒng)的其他解決方案，例如對(duì)螺釘本身的機(jī)械改進(jìn)或SH（自修復(fù)）軟材料的改進(jìn)。

但是，很難將這些機(jī)械或材料合并到現(xiàn)有的機(jī)器人中，因?yàn)檫@樣的改造工作需要大量的成本和工作。因此，對(duì)于機(jī)器人來說，最好的選擇就是像人一樣用手來修復(fù)自身，特別是該機(jī)器人是類人機(jī)器人時(shí)就再好不過了。關(guān)于手動(dòng)擰緊螺釘?shù)难芯?，專家們已?jīng)開發(fā)了能夠使用機(jī)械臂或通過人機(jī)交互擰緊螺釘?shù)南到y(tǒng)，但是在這種情況下，需要將螺絲刀固定在機(jī)器人身上。

對(duì)于擰緊螺釘?shù)娜蝿?wù)來說，關(guān)鍵問題在于需要有關(guān)螺釘姿勢(shì)的準(zhǔn)確信息。在諸如擰緊螺釘或孔內(nèi)鉆眼等需要精確信息的任務(wù)中，專家們提出了使用力—扭矩傳感器的方法，或基于視覺的方法。但是，直接從力—扭矩傳感器計(jì)算出螺釘?shù)淖藙?shì)顯然是不可能的。因此，需要能夠插入螺釘或孔內(nèi)的器具，并且基于視覺的系統(tǒng)的性能取決于機(jī)器人攝像機(jī)的性能，而攝像機(jī)并非總是足夠的精確，可以計(jì)算出精確的螺絲姿勢(shì)。

擰緊螺釘?shù)南到y(tǒng)概述

在圖2中，我們展示了擰緊螺釘系統(tǒng)的概述。機(jī)器人考慮使用一些觸發(fā)器來幫助擰緊自身的螺釘。例如，作為常規(guī)檢查，機(jī)器人會(huì)檢查自己的身體是否出現(xiàn)異常，或者，通過機(jī)器人某種超出理想姿勢(shì)的方式以及其他人的指示來發(fā)現(xiàn)自身松動(dòng)的螺釘。然后，根據(jù)該觸發(fā)器的相關(guān)信息，機(jī)器人將計(jì)算出需要擰緊的螺釘?shù)拇笾挛恢茫ˋ），而借助自身的CAD數(shù)據(jù)，機(jī)器人可以計(jì)算出需要擰緊的精確的螺絲姿勢(shì)（B）。在計(jì)算出精確的螺絲姿勢(shì)之后，機(jī)器人將生成擰緊動(dòng)作，并在需要進(jìn)行擰緊操作時(shí)重新握緊螺絲刀（C）。

松動(dòng)螺釘?shù)母兄?/p>

接下來，我們將展示兩個(gè)感知松動(dòng)螺釘?shù)氖纠Ｒ环N是機(jī)器人自己感覺到松動(dòng)的螺釘，另一種是機(jī)器人通過交互，從其他人的指示中感知到松動(dòng)的螺釘。

機(jī)器人自己感知到松動(dòng)的螺釘

機(jī)器人可以通過使用關(guān)節(jié)編碼器計(jì)算關(guān)節(jié)角度來計(jì)算機(jī)器人每個(gè)連接處的姿勢(shì)。螺釘松動(dòng)導(dǎo)致的不良結(jié)果很多，一個(gè)很明顯的例子是，連接處的姿勢(shì)偏離了理想姿勢(shì)，如圖3所示。更為詳細(xì)地說，應(yīng)用一個(gè)機(jī)器人自身的掩碼圖像，其黑色區(qū)域代表著機(jī)器人，其白色區(qū)域代表使用RGBD攝像機(jī)觀察到的RGBD圖像的其他區(qū)域，那么，就可以計(jì)算出僅描述機(jī)器人的RGBD圖像。然后，機(jī)器人從該RGBD圖像中重建點(diǎn)云，獲得有關(guān)自身的點(diǎn)云。如果其中的某些點(diǎn)不在理想狀態(tài)中，則將該連接處的姿勢(shì)確定為脫離理想狀態(tài)。這意味著此處可能有松動(dòng)的螺釘，因此該信息將被發(fā)送到圖2中“螺釘姿勢(shì)計(jì)算器”的下一步操作中。

根據(jù)他人的指示感知到松動(dòng)的螺釘

當(dāng)然，機(jī)器人不能全靠自己感知到所有松動(dòng)的螺釘。因此，如圖4所示，通過交互，根據(jù)別人的指示讓機(jī)器人獲知自己有松動(dòng)的螺釘也是很重要的。在這項(xiàng)研究中，我們可以通過手指的指向或是類似“有一顆螺釘松了”的聲音讓機(jī)器人獲知松動(dòng)螺釘?shù)乃谖恢?。我們使用OpenPose實(shí)現(xiàn)了對(duì)人的姿勢(shì)進(jìn)行計(jì)算，然后，機(jī)器人會(huì)感覺到有一個(gè)松動(dòng)的螺釘，并以手指所給出的指向位置大致計(jì)算出該松動(dòng)螺釘?shù)奈恢谩＝酉聛?，機(jī)器人會(huì)將此信息發(fā)送到圖2中的“螺絲姿勢(shì)計(jì)算器”的下一步操作中。

螺絲姿勢(shì)的計(jì)算

螺釘判斷

當(dāng)發(fā)現(xiàn)有松動(dòng)的螺釘后，我們的目標(biāo)是檢測(cè)到距離指定位置最近的螺釘。首先，描述一種算法來判斷組成機(jī)器人的這個(gè)部分是否是螺釘。STEP文件中的每個(gè)部分都是以shell為單位表示的，每個(gè)shell都有組成這個(gè)部分的邊和頂點(diǎn)的信息。我們可以用如圖6所示的信息對(duì)螺釘進(jìn)行相應(yīng)的描述。

計(jì)算螺釘姿勢(shì)

當(dāng)機(jī)器人找到了松動(dòng)的螺釘之后，接下來，就需要計(jì)算出準(zhǔn)確的螺釘姿勢(shì)。如圖7所示。

借助螺絲刀擰緊自身的螺釘

當(dāng)機(jī)器人掌握了螺釘?shù)乃谖恢靡约熬唧w姿勢(shì)后，抓住螺絲刀，對(duì)反向動(dòng)力學(xué)問題進(jìn)行計(jì)算，以使螺絲刀的尖端位置與螺釘?shù)念^部位置相匹配，更好地完成擰緊自身螺釘?shù)牟僮鳌?/p>

結(jié)論

在本文中，我們通過研究機(jī)器人擰緊自身螺釘?shù)姆椒?，解決了機(jī)器人進(jìn)行自我修復(fù)和自我拉伸的問題。總體而言，我們的主要研究成果如下：

·我們通過研究類人機(jī)器人擰緊自身松動(dòng)的螺釘?shù)姆椒ǎ岢隽艘环N機(jī)器人進(jìn)行自我修復(fù)和自我拉伸的方案。

·我們提出了一種利用機(jī)器人自身CAD數(shù)據(jù)計(jì)算精確螺釘姿勢(shì)的方法。

·我們提出了一種方法來判斷是否可對(duì)螺絲刀進(jìn)行重新抓緊，以解決機(jī)器人在擰緊螺釘時(shí)由于連桿閉合度小產(chǎn)生的反向動(dòng)力學(xué)問題。

·我們提出了一種在考慮重新抓握螺絲刀的情況下，通過圖形搜索生成擰緊動(dòng)作的方法。

為了驗(yàn)證這些方法的有效性，我們利用一個(gè)真實(shí)的類人機(jī)器人來進(jìn)行自我修復(fù)和自我拉伸的實(shí)驗(yàn)。為了使該系統(tǒng)以后具有更好的泛化性，我們想要建立一個(gè)統(tǒng)一的感知松動(dòng)螺釘?shù)姆椒?。?dāng)然，掌握松動(dòng)螺釘?shù)暮罄m(xù)進(jìn)展情況也是很重要的。當(dāng)機(jī)器人擰緊螺釘后，它就會(huì)記住這個(gè)螺釘以及這一系列的操作。通過持續(xù)地存儲(chǔ)信息，機(jī)器人就會(huì)知道哪些螺釘容易松動(dòng)，哪些不會(huì)松動(dòng)。除此之外，由于實(shí)際抓取姿勢(shì)和期望抓取姿勢(shì)不同，在抓取螺絲刀時(shí)的抓取姿勢(shì)往往誤差較大，在本文中我們忽略了這一點(diǎn)。因此，當(dāng)機(jī)器人抓取螺絲刀之后，需要觀察機(jī)器人手臂的抓取姿勢(shì)，以便對(duì)抓取姿勢(shì)進(jìn)行更好的計(jì)算。可以說，本文提出的擰緊系統(tǒng)中所涉及的方法對(duì)于類人機(jī)器人維護(hù)自身系統(tǒng)來說具有很大的作用，將幫助它們更好地幫助人類完成協(xié)助性工作。