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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

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“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

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