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4月25日，騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室公布最新機(jī)器人研究進(jìn)展，首次展示在靈巧操作領(lǐng)域的成果，推出自研機(jī)器人靈巧手 TRX-Hand和機(jī)械臂 TRX-Arm。

其中，靈巧手TRX-Hand擁有像人手一樣靈活的操作能力，可適應(yīng)不同場(chǎng)景，靈活規(guī)劃動(dòng)作，自主完成“操作”。而機(jī)械臂TRX-Arm針對(duì)人居環(huán)境自主研發(fā)，擁有七自由度和擬人的特性，具有運(yùn)動(dòng)靈巧、爆發(fā)力強(qiáng)、觸控一體以及柔順安全等特點(diǎn)。

一般來說，機(jī)器人技術(shù)根據(jù)“智能程度”可分為三個(gè)階段：只能完成固定命令的程序機(jī)器人、能夠感知周圍環(huán)境的自適應(yīng)機(jī)器人以及能夠自主學(xué)習(xí)和決策的智能機(jī)器人。常見的工廠流水線機(jī)械臂以及拉面機(jī)器人等即屬于第一階段，它們只能在單一的場(chǎng)景內(nèi)重復(fù)固定的動(dòng)作。

具備靈巧操作能力的機(jī)器人則屬于第二和第三階段，人類真實(shí)的生活中會(huì)涉及大量的操作場(chǎng)景，如拾取物品、倒水等，為了讓機(jī)器人更好地幫助人類、發(fā)揮更大作用，提升其操作能力至關(guān)重要。

想要在各類場(chǎng)景里靈活操作物體，機(jī)器人必須能感知環(huán)境、理解物體、評(píng)估狀態(tài)、預(yù)測(cè)行為并自主規(guī)劃完成物體操作，這意味著機(jī)器人要具備豐富的感知、強(qiáng)大的決策與可靠的執(zhí)行能力。

以騰訊本次展示的機(jī)器人花式調(diào)酒場(chǎng)景為例，為完成一杯酒的調(diào)制，機(jī)器人需對(duì)多種物體連續(xù)進(jìn)行30多次操作，這也對(duì)機(jī)器人本體、感知與控制的精準(zhǔn)度、穩(wěn)定性、容錯(cuò)度提出了極高的要求，這個(gè)過程不僅涉及瓶子、杯子、攪拌棒等多種常見物體，機(jī)器人還需要以多種動(dòng)作操作這些物體，包含抓、放、倒這些常規(guī)操作和旋轉(zhuǎn)、搖晃等雙手協(xié)同動(dòng)作，以及更高難度的拋接、翻轉(zhuǎn)等動(dòng)態(tài)操作和插孔、穿刺、攪拌等精細(xì)操作動(dòng)作。

這一系列連貫、復(fù)雜、精巧的動(dòng)作，體現(xiàn)了騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室在機(jī)器人本體、感知與控制技術(shù)上領(lǐng)先的綜合實(shí)力。

自主研發(fā)高性能三指靈巧手首次亮相

在運(yùn)動(dòng)能力上，得益于創(chuàng)新的剛?cè)峄旌向?qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)和自研高功率密度驅(qū)動(dòng)器，騰訊靈巧手TRX-Hand兼具高靈巧和高負(fù)載速度的特性，擁有8個(gè)可獨(dú)立控制關(guān)節(jié)，自重僅1.16千克，最大持續(xù)指尖力可達(dá)15牛，最大關(guān)節(jié)速度不低于600度每秒，可輕松應(yīng)對(duì)不同形狀尺寸物體的抓取和操作，對(duì)高動(dòng)態(tài)的拋接動(dòng)作也游刃有余。同時(shí)，柔性驅(qū)動(dòng)的指尖設(shè)計(jì)有效提升了手指的抗沖擊能力。

在感知能力上，靈巧手在指尖、指腹和掌面均覆蓋了自研的高靈敏度柔性觸覺傳感器陣列，掌心處安裝有微型激光雷達(dá)和接近傳感器，同時(shí)每一個(gè)關(guān)節(jié)均集成了角度傳感器，保證靈巧手在抓取和操作過程中能準(zhǔn)確地感知自身與物體狀態(tài)信息。

視覺、接近覺、觸覺、力覺多傳感器融合

考慮到人居環(huán)境中充斥著透明、反光、細(xì)小的物體以及由遮擋、光照、打滑等因素造成的各種不確定性，為了讓機(jī)器人精準(zhǔn)可靠地獲取物體信息，需要結(jié)合多種傳感信息，如視覺、接近覺、觸覺和力覺等。

這些不同模態(tài)傳感信息各有各的特點(diǎn)，如，相機(jī)可以看到場(chǎng)景全貌，為機(jī)器人做全局運(yùn)動(dòng)規(guī)劃提供必要信息；接近覺在機(jī)器人靠近環(huán)境物體過程中提供更實(shí)時(shí)的反饋，彌補(bǔ)系統(tǒng)建模的誤差，使機(jī)器人更精準(zhǔn)地獲取物體；觸覺可以感知相機(jī)無法看到的接觸細(xì)節(jié)，包括接觸位置和形狀，實(shí)時(shí)感知手內(nèi)物體的狀態(tài)；力覺使機(jī)器人感知與環(huán)境/物體交互時(shí)的整體受力情況，使交互更為輕柔和自然。

騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室對(duì)不同傳感器進(jìn)行了建模與標(biāo)定，采用多傳感器信息融合技術(shù)，使機(jī)器人能在各種操作任務(wù)中更全面及時(shí)地感知物體信息、自身運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以及與環(huán)境的物理交互，從而更可靠地完成任務(wù)。

軟硬結(jié)合讓機(jī)器人像人一樣“動(dòng)手”

機(jī)器人是一項(xiàng)綜合性的技術(shù)，不僅對(duì)本體和傳感器等硬件有著極高的要求，軟件算法也是機(jī)器人的核心要件。據(jù)研究員介紹，騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室本次展示的機(jī)器人是在六自由度工業(yè)機(jī)械臂上搭載靈巧機(jī)器手TRX-Hand以及自主開發(fā)的感知與控制算法后，讓機(jī)器人能夠順暢地完成一系列操作動(dòng)作。

針對(duì)抓放物體與倒水等常規(guī)動(dòng)作，首先基于視覺和觸覺對(duì)物體進(jìn)行實(shí)時(shí)識(shí)別與定位，利用在線規(guī)劃算法，讓機(jī)器人能夠計(jì)算出臂手的最佳構(gòu)型與安全運(yùn)動(dòng)軌跡，隨后，在執(zhí)行中利用手上三種傳感器進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整，進(jìn)一步保證動(dòng)作執(zhí)行的精度與可靠性，同時(shí)借助機(jī)械臂末端六維力傳感器感知與環(huán)境的交互力，避免猛烈碰撞。這樣才能保證機(jī)器人抓得穩(wěn)、放得輕、倒得準(zhǔn)。

讓機(jī)器人的“雙手”在高速運(yùn)動(dòng)的同時(shí)保持協(xié)同極具挑戰(zhàn)，協(xié)同失誤會(huì)產(chǎn)生過大沖擊或應(yīng)力，損傷被操作物體甚至機(jī)器人本身。

在調(diào)酒的過程中，騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室展示的機(jī)器人結(jié)合視觸覺融合的手內(nèi)物體姿態(tài)估計(jì)與基于機(jī)械臂末端力傳感信號(hào)的力位混合控制，實(shí)現(xiàn)了酒瓶與搖酒器高速旋轉(zhuǎn)倒酒、大小搖酒器相扣搖酒等雙手協(xié)同動(dòng)作。

本次展示中，騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室讓機(jī)器人順利完成“拋接”等高難度的動(dòng)作，這類動(dòng)作對(duì)實(shí)時(shí)性要求極高，感知或執(zhí)行上的細(xì)微誤差都會(huì)導(dǎo)致操作失敗。

研究團(tuán)隊(duì)在這一過程中創(chuàng)新性地提出了基于機(jī)器人本體感知的抓拋過程建模與物體飛行軌跡預(yù)測(cè)方法，有效彌補(bǔ)傳統(tǒng)視覺算法在短距離、強(qiáng)遮擋、高動(dòng)態(tài)操作場(chǎng)景下的局限性，實(shí)現(xiàn)了高精度、高時(shí)效的抓拋物體飛行軌跡預(yù)測(cè)。

此外，團(tuán)隊(duì)還提出了飛行物體的最優(yōu)攔截時(shí)間、最優(yōu)攔截位姿與最優(yōu)攔截軌跡的計(jì)算方法，以動(dòng)作持續(xù)時(shí)間、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)能量以及與物體的接觸力為優(yōu)化目標(biāo)，能在數(shù)毫秒內(nèi)完成計(jì)算，實(shí)現(xiàn)對(duì)快速飛行物體的平穩(wěn)攔接。

在攪拌棒插孔和使用簽子插葡萄的任務(wù)中，不銹鋼攪拌棒和金屬簽子都是無紋理、高反光的細(xì)長物體，攪拌棒直徑8mm，與孔直徑相差僅1mm，簽子直徑不足2mm，這給物體的識(shí)別與定位帶來不少挑戰(zhàn)。

特別是，攪拌棒在經(jīng)過一系列攪拌動(dòng)作后并不一定停留在原來的手內(nèi)位置，其在接近孔時(shí)會(huì)對(duì)孔造成遮擋，它的反光表面更會(huì)倒映出孔造成視覺的混淆。

對(duì)此，研究團(tuán)隊(duì)在僅依靠機(jī)器人頭部相機(jī)的條件下，通過對(duì)物體間相對(duì)位置的估計(jì)，并融入觸覺感知，獲得了穩(wěn)定的攪拌棒、孔和簽子的識(shí)別與定位。

此外，通過力覺感知到插孔失敗后能抬起手臂再次嘗試，通過幾次試探使攪拌棒逐漸接近真實(shí)孔位、確保完成插孔操作，展示了機(jī)器人能實(shí)時(shí)感知任務(wù)狀態(tài)，識(shí)別失敗并自主調(diào)整策略，最終成功完成任務(wù)的調(diào)整和容錯(cuò)能力。

此外，高分辨率的指尖觸覺讓機(jī)器人精巧的手內(nèi)操作成為可能。所謂手內(nèi)操作，指的是僅利用手指來操控手里的物體，改變其位姿和狀態(tài)。

這是一種充分發(fā)揮手指運(yùn)動(dòng)能力的技能，能以最小能耗達(dá)到操作物體的目的，同時(shí)也對(duì)手部的感知能力和控制精度有極高要求，是“靈巧”性的集中體現(xiàn)。

人類在日常生活中大量使用手內(nèi)操作，例如攪拌湯勺、寫字、使用筷子等。但對(duì)于機(jī)器人來說，手內(nèi)操作非常有挑戰(zhàn)性，在“感知—控制”回環(huán)的任一部分稍有差池，就會(huì)造成物體掉落和任務(wù)失敗。

演示中，機(jī)器人以指尖抓住一根細(xì)長的攪拌棒，先以臂手協(xié)同的方式大力攪拌杯子里的液體，然后靜止手臂，以純手指運(yùn)動(dòng)的方式平滑柔順地?cái)嚢?，其中后者的手?nèi)操作結(jié)合了深度強(qiáng)化學(xué)習(xí)和sim2real等技術(shù)，使用了指尖傳感器實(shí)時(shí)反饋接觸狀態(tài)，生成三個(gè)手指的協(xié)同運(yùn)動(dòng)，同時(shí)對(duì)攪拌棒施加合適的力，在保證攪拌棒不掉落的前提下，驅(qū)動(dòng)攪拌棒按期望軌跡攪拌杯子里的液體，充分展現(xiàn)機(jī)器人的靈巧操作能力。

讓機(jī)器人技術(shù)更好地服務(wù)現(xiàn)實(shí)需求

騰訊自主研發(fā)的高性能七自由度擬人機(jī)械臂TRX-Arm也首次對(duì)外亮相。不同于傳統(tǒng)的協(xié)作型機(jī)械臂，TRX-Arm采用了繩索傳動(dòng)與差分驅(qū)動(dòng)相結(jié)合的方式，不僅有效降低了傳動(dòng)摩擦和運(yùn)動(dòng)慣量，還實(shí)現(xiàn)了多電機(jī)多關(guān)節(jié)協(xié)同驅(qū)動(dòng)，具有高動(dòng)態(tài)運(yùn)動(dòng)的能力，其最大速度7.4m/s，最大加速度44.5m/s2，可負(fù)載6kg以上。

同時(shí)，其前臂集成了768點(diǎn)的觸覺陣列，其刷新頻率高達(dá)1000Hz，以此實(shí)現(xiàn)了酒瓶在滾動(dòng)和平衡過程中的高頻實(shí)時(shí)定位。

據(jù)研究員介紹，接下來騰訊Robotics X實(shí)驗(yàn)室將把繼續(xù)推動(dòng)自研機(jī)器人靈巧手TRX-Hand和機(jī)械臂TRX-Arm的融合，并引入深度學(xué)習(xí)等前沿算法，提升機(jī)器人的靈巧操作能力和解決復(fù)雜問題的能力，讓其更好地服務(wù)現(xiàn)實(shí)需求。

騰訊 Robotics X 實(shí)驗(yàn)室致力于機(jī)器人前沿技術(shù)的研究，打造人機(jī)共存、共創(chuàng)和共贏的未來，此前已經(jīng)推出多模態(tài)四足機(jī)器人Max和輪腿式機(jī)器人Ollie等多款自研機(jī)器人。

接下來，騰訊將繼續(xù)探索機(jī)器人前沿技術(shù)，推動(dòng)機(jī)器人技術(shù)在養(yǎng)老護(hù)理、居家服務(wù)、智能制造等領(lǐng)域的落地應(yīng)用。