機械臂與四足機器人組合都能做些什么？

提及此，想必大家第一時間想到的必然是波士頓動力此前率先推出的四足機器人+機械臂組合。

2020年，波士頓動力對四足機器人Spot進行全新升級，并推出適配于Spot加裝的機械臂。

在機械臂的輔助下，四足機器人Spot不僅可以執行開關門、擰閥門、推開關、拖拽重物、種植植物等工作任務，甚至可以完成做家務、收集衣物等家庭任務。

通過集成四足機器人與機械臂為移動操縱系統，波士頓動力實現了機器人與環境的深度交互，加之操作和開發的簡單性，Spot可以在各種環境中輕松部署。

然而，由于SpotArm缺乏定制性且手臂硬件不能輕易修改，因此由Spot和Spot Arm組合而成的移動操縱系統雖然非常強大可執行各類復雜任務，但卻存在系統本身是為特定任務創建、實施成本過高等問題。

前不久，由伊利諾伊大學厄巴納-香檳分校（IUIC）Jooh yung Kim教授運營的動能智能機器實驗室提出一個可以增強四足機器人功能，并在移動操控的各種應用中展現出多功能性和適應性的附加系統Orthrus。該附加系統有效地允許將兩個六自由度機械臂與一個四足機械臂集成為一個系統。

組裝的Orthrus(PAPRAS+Quadruped)系統可用于各種應用，例如移動操作任務和娛樂應用

以模塊化為重要原則，該系統允許集成完全模塊化的機械臂系統即插即用機械臂系統（PAPRAS）。當整個系統完全組裝好后，PAPRAS-Quadruped系統類似于Orthrus，一種希臘神話中守衛Geryon城堡的雙頭狗，

▍雙臂！四足！集成如何實現？

在移動平臺的選擇上，研究團隊選用了Boston Dynamics Spot，并在該平臺上集成了兩臺PAPRAS。

雙六自由度機械臂集成到四足機器人

在將六自由度機械臂集成到四足機器人方面，研究團隊使用了定制安裝座連接到四足機器人，該安裝座連接到位于四足機器人身體背側前方的安裝孔。

附加支架的各種視圖(a)。顯示系統的分解圖(b)。顯示系統和安裝位置的前視圖

該支架由一個用Onyx（一種帶有短切碳纖維的復合尼龍基長絲）3D打印的核心部分和兩個用噴水機切割的鋁支架組成加固物，兩個用PLA3D打印的插座用于連接手臂。

安裝座和插座相對于矢狀面和背側平面成45度角，并且彼此之間成90度角。插座的位置也使得每個臂的工作空間中心彼此相距322毫米。每個3D打印插座都使用旋轉鎖定機構在插入后將臂保持在適當位置，每個插座底部的電連接器允許傳輸電力和數據。系統的工作空間能夠涵蓋四足機器人的整個背側，系統的跨度略大于人類平均臂展。

Orthrus平臺的工作區與人類比較。(a)與人類的側視圖(b)。從前視圖看系統的工作區。

設備上的三臺主要計算機是英特爾NUC-10、Nvidia Jetson AGX Xavier和四足機器人的機載計算機。英特爾NUC-10是主要操作PC，將處理兩個PAPRAS手臂和四足機器人之間的通信和任務。操作PC通過有線連接連接到四足機器人的車載計算機。操作PC通過USB連接到U2D2，這是ROBOTIS制造的轉換器，允許使用RS-485協議進行通信。由于操作PC的處理能力有限且沒有GPU，因此附加了Jetson作為感知管道。   

在電源方面，研究團隊沒有采用四足機器人的板載電池提供，而是設計了單獨的6sLiPo電池提供。電池通過定制的3D打印支架固定在身體下背部區域的鋁制安裝導軌上。定制的PCB用作電源轉換器，允許24V直流輸出為手臂供電，以及一個單獨的輸出，將電壓降至19V為操作和感知PC供電。

夾具系統安裝與兼容的實現

夾具安裝在PAPRAS的末端執行器框架上。PAPRAS的平行夾具可以輕松地替換為使用相同末端執行器框架的其他夾具。這為PAPRAS定制夾具系統帶來兼容性的實現。

根據應用情況，可以在Orthrus上輕松更換夾具

平行夾具使用RS-485進行通信，并通過將PAPRAS電機與RS-485鏈接來提供電源。該型號使用24V，因此與PAPRAS手臂有很高的兼容性。平行夾具頂部配置了水平安裝的英特爾RealSense D435作為手眼攝像頭。該相機可用于執行各種感知任務。

無源干擾夾具使用兩個XM430-W350-RDynamixel電機，該電機使用12V并使用RS-485協議進行通信。因此，夾具需要一個24V至12V的直流降壓轉換器。該夾具頂部有一個垂直連接的RealSense D435。

夾爪使用自己的電池和通信協議。因此，控制箱內有兩節3.4VLiPo電池和電源開關。該夾爪由制造商提供的移動應用程序通過藍牙進行控制。夾具系統的安裝部件采用微型碳纖維注入尼龍3D打印而成。夾爪連接至手腕處的夾具控制盒的安裝塊。

與操縱模塊和移動模塊交互的軟件架構

Orthrus系統的設計以模塊化為關鍵原則，允許夾具和工具的不同組合，每種組合都具有獨特的有效負載能力。為了在有效負載重量內確保移動底座能夠穩定導航，四足機器人具有有效負載調整功能，可以系統地計算有效負載質量。一旦估計出有效負載質量，系統就可以根據有效負載調整其運動，以確保運行過程中的安全性和穩定性。此外，有效負載調整功能允許Orthrus系統通過估計來使用未知質量的工具。

軟件系統設計與功能

在系統控制方面，雖然四足機器人與PAPRAS分別獨立控制，但在執行任務時也需要相互溝通。為了實現Spot驅動程序和操作PC之間的通信，研究人員將兩臺計算機通過有線網絡進行了連接。   

有線連接與四足機器人的機載計算機建立通信可控制其動作。同時也可以實現低延遲通信，從而同步控制四足機器人和PAPRAS。

兩個系統都使用ROS進行控制。即使整個系統的軟件運行在同一臺操作PC上，系統的軟件也可以分為多層。它可以分為四足系統的定位和導航（系統的移動性）和PAPRAS的硬件控制（系統的操縱）。

▍娛樂！移動操縱！Orthrus測試與驗證

通過模塊化設計，該系統可以輕松用于移動操作任務，也可以作為人類娛樂系統。

研究人員通過家庭環境和各種娛樂環境中的應用對系統的模塊化和多功能性進行了展示，充分驗證了研究團隊所提出系統可以提高人機交互水平，提供更具吸引力和互動性的體驗。

移動操控實驗

在移動操控實驗中，Orthrus系統的實際應用為將目標菜肴從餐桌移至廚房水槽。此場景展示了Orthrus系統無縫集成機械臂和四足機器人執行一系列協調動作的能力。

算法1使用Orthrus進行清理的基本算法

1：初始化環境

2：導航到目標（表）

3：挑選（菜）

4：NavigateToGoal（廚房水槽）

5：地點（菜品）

6：導航到目標（首頁）

最初，Orthrus系統初始化環境（步驟1）。利用其機載攝像頭和傳感器，該系統可以準確識別和定位環境中的物體。餐桌上放置的基準標記可幫助Orthrus系統識別桌子的位置（步驟2）并確定目標菜肴相對于桌子的位置。

一旦桌子和盤子被定位，作為Orthrus系統一部分的機械臂就會采用RRT-Connect運動規劃器來確定拾取目標盤子所需的關節角度（步驟3）。為了防止與周圍物體發生碰撞，規劃器為機械臂創建有效且安全的軌跡，這些軌跡由關節軌跡控制器執行。PAPRAS硬件接口和Dynamixel電機控制機械臂的關節角度，確保運動流暢且準確。

Orthrus系統信念狀態與工具

為了到達廚房水槽（步驟4），四足機器人在環境中導航，依靠SpotDriver和導航路徑來規劃并遵循安全有效的軌跡。為了保證精確導航，基準標記放置在廚房水槽前面，引導機器人到達適當的目的地。

到達廚房水槽后，Orthrus系統將餐具放置在指定位置（步驟5）。在PAPRAS硬件接口和Dynamixel電機的幫助下，機械臂的精確控制可以精確放置培養皿，從而成功執行任務。最后，四足機器人導航回到其原始位置（步驟6）。

娛樂和外展應用

Orthrus系統有效地開發了三種不同的娛樂形式：(1)利用工具的動態運動，(2)模仿動物的頭部運動，(3)交互式應用程序。此外，研究團隊還對改進的系統和控制界面進行了多次演示，以評估其穩健性和可靠性。    

1)使用工具進行動態運動

第一種娛樂形式側重于將從源視頻獲得的參考動作重新定位到雙臂機器人系統，從而產生視覺上引人入勝的機器人表演。該方法優先考慮運動學可行性和避免碰撞，這些問題可以使用基于靈活碰撞庫(FCL)算法的MoveIt碰撞檢查功能來解決。模擬通過檢測和解決潛在的碰撞或不可行的配置來增強重定向運動的安全性和可靠性。在這種方法中，靈巧的假手充當末端執行器。

Orthrus 系統用于多種娛樂和外展應用。這些應用程序包括帶有工具的多轉彎模式（左上）模仿動物般的動作（中上）圣誕鐘聲響起（右上）基于路點的揮手（左下）糖果講義（下中）和小學外展（下中）

2）模仿動物的動作

第二種娛樂形式涉及Orthrus系統使用干擾夾具，其設計類似于神話中的雙頭狗Orthrus的頭部。這種創新的抓手具有類似下巴的結構，可以模仿狗下巴的運動。為了增強用戶體驗，抓手配備了攝像頭，充當狗頭上的“眼睛”。將攝像頭集成到抓手的設計中，增強了用戶體驗的身臨其境和互動性，讓他們感覺好像正在與真實的活體動物互動。當連接到Orthrus系統時，干擾夾具的末端執行器可以以類似于雙頭狗的自然運動的方式移動和傾斜。這種動態且逼真的動作增強了體驗的整體吸引力。

3）交互式應用程序

第三種娛樂形式涉及使用Orthrus與人們互動。在外展期間與孩子們互動的一個簡單演示是分發糖果。Orthrus可以攜帶兩籃糖果，并做出一些小動作，例如舉起籃子和放下籃子，以指示人類何時可以伸手去拿糖果。互動演示時，有兩名操作人員和一名安全人員。安全人員緊急停止并近距離觀察機器人與人類之間的互動，而兩名操作員則能夠控制Orthrus的運動。   

通過使用工具結合動態運動并模仿動物般的頭部運動，Orthrus系統提供了一種交互式且具有視覺吸引力的體驗，突破了人機交互的界限。