DARPA與德克公司合作研制出自動(dòng)手臂，靈活程度媲美人手 | 新智造

本文作者：廖宇環(huán)

2016-09-13 15:55

導(dǎo)語(yǔ)：任何截肢者都可以從宛如真手的義肢中受益。

從根本上講，機(jī)器人學(xué)關(guān)乎幫助人類。機(jī)器人幫助我們制造產(chǎn)品，建造事物，使我們的生活更加輕松便捷。隨著機(jī)器人復(fù)雜程度及能力的增加，在老年護(hù)理，康復(fù)中心和醫(yī)院等領(lǐng)域，它們開(kāi)始以更為直接的方式幫助我們。

在不久的將來(lái)，機(jī)器人同人類的關(guān)系將更加緊密，甚至于神經(jīng)機(jī)械學(xué)將能夠恢復(fù)殘疾人士的身體功能，而被截肢的軍人將成為這一項(xiàng)目的焦點(diǎn)。

2014 年，DARPA 宣布了手部本體感受與觸摸界面（HAPTIX）項(xiàng)目，該項(xiàng)目旨在創(chuàng)造出一種手部義肢系統(tǒng)，使義肢在行動(dòng)和感覺(jué)上都如同真手一般。

DARPA 的 HAPTIX 項(xiàng)目經(jīng)理 Doug Weber 表示：“我們相信 HAPTIX 將會(huì)創(chuàng)造出一種豐富且極具活力的感覺(jué)體驗(yàn)，使用者會(huì)想一直佩戴著義肢，并且將其視為身體的自然延伸。如果我們能夠做到這一點(diǎn)， DARPA 就朝著實(shí)現(xiàn)幫助受傷軍人恢復(fù)完整自然機(jī)體功能這一承諾邁進(jìn)了一步。”

HAPTIX 項(xiàng)目由硬件、用戶界面和控制算法3個(gè)不同的團(tuán)隊(duì)構(gòu)成，它的成功取決于這三者的最優(yōu)組合。 OSRF 對(duì)于向HAPTIX團(tuán)隊(duì)提供定制版的 Gazebo 模擬器十分自豪，這使得這一項(xiàng)目的軟件實(shí)驗(yàn)不再受限于硬件的可用性：本質(zhì)上，這就是軟件工程師進(jìn)行作業(yè)的虛擬場(chǎng)所。

OSRF 共同創(chuàng)始人兼首席科學(xué)家約翰·蘇解釋道：“對(duì)于 OSRF 來(lái)說(shuō)， HAPTIX 的目標(biāo)就是為生物機(jī)械學(xué)工程師提供真實(shí)的義肢刺激環(huán)境，進(jìn)而為高度靈活的高級(jí)義肢學(xué)開(kāi)發(fā)出控制器。”

目前在 HAPTIX 項(xiàng)目中，DARPA 所使用的高級(jí)義肢為德克公司（DEKA）的魯克自動(dòng)手臂，自由度為14的完整的手臂控制替換系統(tǒng)。然而該手臂目前由為測(cè)試而設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易用戶界面操控，HAPTIX 希望設(shè)計(jì)出使用來(lái)自肌肉神經(jīng)信號(hào)的界面，與此同時(shí)立即傳動(dòng)感覺(jué)反饋。

在 DARPA 投入了四千萬(wàn)美元的研究資金，并花費(fèi)了近 10 年的時(shí)間之后，德克自動(dòng)手臂是一款令人驚艷的硬件產(chǎn)品，但這僅僅是初始階段。約翰·蘇說(shuō)道：“在我看來(lái)，硬件應(yīng)在軟件之前開(kāi)發(fā)出來(lái)。盡管二者可以同時(shí)設(shè)計(jì)，但是硬件的迭代周期較長(zhǎng)。一旦開(kāi)發(fā)出一款優(yōu)秀穩(wěn)定的硬件平臺(tái)，然后把它交給軟件團(tuán)隊(duì), 他們開(kāi)始工作，迅速開(kāi)發(fā)軟件，與此同時(shí)盡力不去毀壞硬件。”

DARPA與德克公司合作研制出自動(dòng)手臂，靈活程度媲美人手 | 新智造

這就闡明了優(yōu)質(zhì)的模擬環(huán)境極為重要的兩個(gè)原因：

第一，在硬件完全開(kāi)發(fā)出之前，它可以讓你開(kāi)始開(kāi)發(fā)軟件；
第二，從某種程度上說(shuō)，它可以使軟件開(kāi)發(fā)同硬件本身隔離開(kāi)來(lái)，也就是說(shuō)，當(dāng)你僅僅有一個(gè)可能十分脆弱，昂貴，或出于某種原因而不穩(wěn)定的硬件，很多工程師仍然可以同時(shí)開(kāi)發(fā)軟件。

對(duì)于 OSRF 來(lái)說(shuō)，為 HAPTIX 項(xiàng)目開(kāi)發(fā)支持一個(gè)版本 Gazebo 涉及了很多不同的領(lǐng)域。除了專門(mén)定制的模擬環(huán)境以外，OSRF 也向團(tuán)隊(duì)提供了 OptiTrack 動(dòng)作捕捉裝置，NIVIDIA 立體聲眼鏡，3D 監(jiān)測(cè)器，3D 操控桿，以及使其完美運(yùn)行所需的記錄。這款定制的 Gazebo 也包括對(duì)各類遙控硬件的支持，用戶可以同使用微軟和MATLAB的模擬系統(tǒng)以編程的方式進(jìn)行交互。

HAPTIX 開(kāi)發(fā)者能夠利用這些 3D 傳感器和遙感系統(tǒng)來(lái)把胳膊和手部的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化成真正的環(huán)境，這使得他們同時(shí)在真實(shí)環(huán)境和虛擬環(huán)境中進(jìn)行普通的手部功能測(cè)試。這也為截肢軍人提供有力且可支付得起的方式來(lái)學(xué)習(xí)如何使用他們的新義肢奠定了基礎(chǔ)。

約翰·蘇表示，一旦 HAPTIX 團(tuán)隊(duì)收到了德克公司的手臂，OSRF 的工作變得更加重要，因?yàn)樗麄儗⒂袡C(jī)會(huì)看到模擬環(huán)境的實(shí)際工作狀態(tài)如何然后將其優(yōu)化使其盡可能的接近真實(shí)環(huán)境。

約翰·蘇說(shuō)道：“對(duì)于驗(yàn)證部分，我真的十分期待。對(duì)于很多的模擬平臺(tái)，優(yōu)質(zhì)的驗(yàn)證數(shù)據(jù)非常匱乏。當(dāng)我們?cè)跒?DARPA 機(jī)器人挑戰(zhàn)項(xiàng)目涉及 Gazebo 時(shí)，我們并沒(méi)有像 ATLAS 一樣的機(jī)器人借以驗(yàn)證，因此要對(duì)它進(jìn)行測(cè)試，可算得上是一項(xiàng)大工程。”

驗(yàn)證需要確保發(fā)送到德克虛擬手臂的指令，和發(fā)送到真實(shí)德克手臂所產(chǎn)生的動(dòng)作是一致的。約翰·蘇解釋道：“我們向真實(shí)手臂和虛擬手臂發(fā)送指令，來(lái)看他們是否會(huì)有不同的表現(xiàn)。如果表現(xiàn)不同，我們會(huì)更新模型來(lái)使它們匹配。” 模擬越接近，對(duì)于 HAPTIX 來(lái)說(shuō)，它就越有用。當(dāng)然，最終目標(biāo)是讓這一切都在真實(shí)的硬件上運(yùn)行，但是一個(gè)準(zhǔn)確的詳細(xì)的模擬器對(duì)于軟件的有效開(kāi)發(fā)至關(guān)重要。

第一代德克手臂最近抵達(dá)了 OSRF 進(jìn)行驗(yàn)證測(cè)試，完整的硬件將于年底完成。OSRF 最近定期地發(fā)布一系列穩(wěn)定版本的 HAPTIX 模擬器，隨著臂部虛擬定位準(zhǔn)確度，力量控制及回應(yīng)，以及其他的動(dòng)力系統(tǒng)在接下來(lái)幾個(gè)月將被驗(yàn)證，OSRF 也將升級(jí)模擬軟件來(lái)確保 HAPTIX 團(tuán)隊(duì)擁有所需工具進(jìn)而迅速有效進(jìn)行工作。

到 2017 年早期，HAPTIX 的第一階段將完成，如果進(jìn)展順利，就會(huì)進(jìn)行下一階段，最終目標(biāo)在于實(shí)現(xiàn)功能性的 HAPTIX 系統(tǒng)。DARPA 希望系統(tǒng)的實(shí)際實(shí)驗(yàn)到 2019 年可以實(shí)現(xiàn)，并且不久之后，任何截肢者都可以從宛如真手的義肢中受益。

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