Science Robotics封面｜一球甩出30.8米/秒，0.4秒接住棒球：这双机械臂把“动态操作”打明白了

“拟人机器人投掷球体最快速度。

一个网球，被机器人单臂甩了出去，速度达到30.8米/秒，约合112公里/小时。

换上手套，它又成功接住过7.3米外飞来的棒球，球在空中的飞行时间不到0.4秒。拿起球棒，它还能根据来球位置调整挥棒，在一组测试中33次击27球。

这位在实验室里身兼投手、捕手和击球手的选手，叫AthenaZero。

近日，这项来自机器人与人工智能研究院（RAI Institute）的研究团队的成果，登上机器人权威期刊《Science Robotics》的封面。

投、接、打，看起来是一套棒球技能，背后却指向同一个问题：一双机械臂，能不能既有爆发力，又能在接触时收得住？

AthenaZero给出的思路，是先降低手臂的惯性，让它更容易加速、减速，再配合快速控制，在碰到东西时适当地“让一下”。

这套在传统设计里很难兼得的本事，得从机械臂的身体里找答案。

01.

接个球，为什么能难倒机械臂？

接球这件事，人做起来很自然。看准落点，把手伸过去，接触时顺势缓冲，再把球握住。对机械臂来说，难点可能就藏在最后一瞬——手到了，球也到了，球却撞上手掌，又弹了出去。

这里有个关键指标：有效质量。

有效质量，不是把机械臂放上秤称出来的重量。你可以把它想象成：在某个位置、朝某个方向推它一下，感觉它有多“重”、多难被推动。同样一条手臂，伸直的姿势和弯曲的姿势，推起来感觉不一样；从侧面推和从下面推，也不一样。所以它不是一个固定值，而是随姿态和方向变化。单位是千克，但测的是“改变运动状态有多难”。

很多机械臂为了力气大、定位准，会用高减速比齿轮，把电机的高速转动变成更大的输出扭矩。但代价是，但代价是，电机转子的惯性会按减速比的平方放大——80∶1的减速比，惯性就被放大6400倍。

结果就是，机械臂虽然能准确赶到接球位置，接触瞬间却显得特别“沉”，容易把轻小物体顶开。

软件可以提前规划，也可以调节接触时的响应，但补偿有边界。尤其是依赖接触力反馈的调整，要在测到接触后才能响应；碰撞最初那一下，硬件自身的惯性已经参与其中。

这也是AthenaZero选择从机械结构下手的原因——让控制器需要对付的惯性，先小一点。

不同机械臂的有效质量对比，结果随姿态和受力方向变化。

02.

给机械臂减负，让它动得更轻快

AthenaZero模拟男性人体，身高约1.6米，臂展yue1.8米，双肩间距0.44米，拥有两条七自由度机械臂和两只六自由度机械手，躯干安装在固定底座上。它的核心改动，主要有两步。

第一步，用更低减速比的驱动方案。

团队采用准直接驱动（QDD），以定制电机配合低减速比传动，兼顾输出扭矩和低反射惯量。肩部和肘部关节采5∶1减速比。

低摩擦、高效率的传动，也让外部作用力更容易反向驱动关节，提高力传递的“透明度”。经过标定，系统可以通过电机电流估算传递的扭矩，省去关节级扭矩传感器；手掌和指尖仍保留触觉传感器。

第二步，把重的部件从手臂末端挪到身体近处。

同样拿一个哑铃，贴近身体和伸直手臂，转动起来完全是两回事。机械臂也是如此，越靠近末端的重量，越容易成为快速摆动时的负担。

AthenaZero通过皮带等传动机构重新安排电机位置，将腕部电机移到肘部附近，手指电机更是放进躯干，再通过腱绳远程传递动力。手依然能发力，却不用背着那么多电机一起跑。

通过远程传动重新安排电机位置，减轻机械臂远端的运动负担。

效果如何？研究团队让两款机械臂都处于重力补偿模式，用1千克摆锤撞击腕部侧面。AthenaZero测得的有效质量约为0.83千克，对照的Franka Research 3约为3.3千克；峰值冲击力分别约为124牛和208牛。

这意味着，在这组特定姿态和方向的撞击中，AthenaZero更容易被推动，摆锤碰上它后仍能向前运动；碰上对照机械臂后，摆锤则反弹了回来。降低惯性，实实在在地改变了接触的结果。

两款机械臂在摆锤冲击下呈现不同的响应。

03.

同一双手臂，既要猛，也要会收

手臂轻快了，还要能发力、会缓冲、抓准时机。团队用投球、接球和击球三项任务，检验AthenaZero的动态操作能力。实验在受控场地中进行，由240赫兹的外部运动捕捉系统追踪球的位置。

• 投球：甩得快，也要投得准

在单臂配置下，AthenaZero将网球投出了30.8米/秒的最高速度。但速度上去后，另一个问题出现了：球可能在预定出手时刻之前滑脱，影响投掷准确性。

团队随后降低双臂系统的投掷速度，兼顾出手时机与落点控制。使用棒球时，系统能够以21.4米/秒的速度，向7.3米外、25厘米×25厘米的目标区域精准投掷。

• 接球：赶得上，还要接得住。

AthenaZero成功接住过7.3米外、速度高达18.3米/秒的棒球，对应的总时间窗口不到4秒。

赶到落点只是第一步。接触时，手臂还要通过阻抗控制缓冲冲击，把球留住。不过，接近最高速度时，球仍可能在手指合拢前弹走；在约13.4米/秒、落点可达的条件下，接球表现更可靠。

• 击球：33次挥棒，击中27球

击球对时机更挑剔。按照论文描述，在该实验设置下，挥棒早或晚约2毫秒，都可能错过来球。

AthenaZero会持续估计球在击球区内的位置，实时调整挥棒轨迹。面对7.3米外、以约13.4米/秒飞向预设击球区的网球，它在33次挥棒中击中27球，命中率约82%。

连续击球过程中，机器人无需每次重新抓握球棒；对于落在预设击球区外的来球，它也不会挥棒。

• 连续互动：接住之后，还能再传回去

单次动作之外，团队还让两台机器人玩起了传接球。

在约13.4米/秒的传球速度下，机器人从接住球到再次投出约需11秒，两台机器人最多完成了8次来回传球。将其中一台换成人类参与者后，最多完成了12次来回传球。

从接住来球，到交接、再次投出，这双手臂开始把不同动作衔接起来，应对每次接球后球的位置变化。

04.

这双灵活的手臂，还有哪些不足？

打完这场球，AthenaZero还有一道更实际的考题：能否持续、稳定地工作。

它可以快速挥臂，却不适合长时间伸直手臂托住重物。论文中，持续静态负载会带来发热问题；在1.8千克负载下，末端平均挠度约为12毫米。

把手指电机移进躯干，也带来另一面的结果。传动距离变长，摩擦随之限制了抓握力和手部的动态表现。实验中的敏捷，还需要与精度、承载和持续工作能力进一步平衡。

不过，这组棒球实验也为评价机械臂提供了一个新视角。过去，我们常问它能举多重、定位多准；面对飞来的球，还要问它碰到意料之外的东西时，能不能及时调整？在需要发力和需要退让之间，能不能快速切换？

现实中的装配、递物、搬运中的接触，也包含类似问题。AthenaZero提供了一条值得继续验证的硬件路线：通过更低惯性和更直接的力传递，为控制算法留出更大的调整空间。

当我们期待机器人拥有更灵活的双手时，电机放在哪里、减速比选多大、接触瞬间身体如何响应，都值得重新审视。

论文链接：https://www.science.org/doi/10.1126/scirobotics.aee1868