机械臂与四足机器人组合都能做些什么？

提及此，想必大家第一时间想到的必然是波士顿动力此前率先推出的四足机器人+机械臂组合。

2020年，波士顿动力对四足机器人Spot进行全新升级，并推出适配于Spot加装的机械臂。

在机械臂的辅助下，四足机器人Spot不仅可以执行开关门、拧阀门、推开关、拖拽重物、种植植物等工作任务，甚至可以完成做家务、收集衣物等家庭任务。

通过集成四足机器人与机械臂为移动操纵系统，波士顿动力实现了机器人与环境的深度交互，加之操作和开发的简单性，Spot可以在各种环境中轻松部署。

然而，由于SpotArm缺乏定制性且手臂硬件不能轻易修改，因此由Spot和Spot Arm组合而成的移动操纵系统虽然非常强大可执行各类复杂任务，但却存在系统本身是为特定任务创建、实施成本过高等问题。

前不久，由伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（IUIC）Jooh yung Kim教授运营的动能智能机器实验室提出一个可以增强四足机器人功能，并在移动操控的各种应用中展现出多功能性和适应性的附加系统Orthrus。该附加系统有效地允许将两个六自由度机械臂与一个四足机械臂集成为一个系统。

组装的Orthrus(PAPRAS+Quadruped)系统可用于各种应用，例如移动操作任务和娱乐应用

以模块化为重要原则，该系统允许集成完全模块化的机械臂系统即插即用机械臂系统（PAPRAS）。当整个系统完全组装好后，PAPRAS-Quadruped系统类似于Orthrus，一种希腊神话中守卫Geryon城堡的双头狗，

▍双臂！四足！集成如何实现？

在移动平台的选择上，研究团队选用了Boston Dynamics Spot，并在该平台上集成了两台PAPRAS。

双六自由度机械臂集成到四足机器人

在将六自由度机械臂集成到四足机器人方面，研究团队使用了定制安装座连接到四足机器人，该安装座连接到位于四足机器人身体背侧前方的安装孔。

附加支架的各种视图(a)。显示系统的分解图(b)。显示系统和安装位置的前视图

该支架由一个用Onyx（一种带有短切碳纤维的复合尼龙基长丝）3D打印的核心部分和两个用喷水机切割的铝支架组成加固物，两个用PLA3D打印的插座用于连接手臂。

安装座和插座相对于矢状面和背侧平面成45度角，并且彼此之间成90度角。插座的位置也使得每个臂的工作空间中心彼此相距322毫米。每个3D打印插座都使用旋转锁定机构在插入后将臂保持在适当位置，每个插座底部的电连接器允许传输电力和数据。系统的工作空间能够涵盖四足机器人的整个背侧，系统的跨度略大于人类平均臂展。

Orthrus平台的工作区与人类比较。(a)与人类的侧视图(b)。从前视图看系统的工作区。

设备上的三台主要计算机是英特尔NUC-10、Nvidia Jetson AGX Xavier和四足机器人的机载计算机。英特尔NUC-10是主要操作PC，将处理两个PAPRAS手臂和四足机器人之间的通信和任务。操作PC通过有线连接连接到四足机器人的车载计算机。操作PC通过USB连接到U2D2，这是ROBOTIS制造的转换器，允许使用RS-485协议进行通信。由于操作PC的处理能力有限且没有GPU，因此附加了Jetson作为感知管道。   

在电源方面，研究团队没有采用四足机器人的板载电池提供，而是设计了单独的6sLiPo电池提供。电池通过定制的3D打印支架固定在身体下背部区域的铝制安装导轨上。定制的PCB用作电源转换器，允许24V直流输出为手臂供电，以及一个单独的输出，将电压降至19V为操作和感知PC供电。

夹具系统安装与兼容的实现

夹具安装在PAPRAS的末端执行器框架上。PAPRAS的平行夹具可以轻松地替换为使用相同末端执行器框架的其他夹具。这为PAPRAS定制夹具系统带来兼容性的实现。

根据应用情况，可以在Orthrus上轻松更换夹具

平行夹具使用RS-485进行通信，并通过将PAPRAS电机与RS-485链接来提供电源。该型号使用24V，因此与PAPRAS手臂有很高的兼容性。平行夹具顶部配置了水平安装的英特尔RealSense D435作为手眼摄像头。该相机可用于执行各种感知任务。

无源干扰夹具使用两个XM430-W350-RDynamixel电机，该电机使用12V并使用RS-485协议进行通信。因此，夹具需要一个24V至12V的直流降压转换器。该夹具顶部有一个垂直连接的RealSense D435。

夹爪使用自己的电池和通信协议。因此，控制箱内有两节3.4VLiPo电池和电源开关。该夹爪由制造商提供的移动应用程序通过蓝牙进行控制。夹具系统的安装部件采用微型碳纤维注入尼龙3D打印而成。夹爪连接至手腕处的夹具控制盒的安装块。

与操纵模块和移动模块交互的软件架构

Orthrus系统的设计以模块化为关键原则，允许夹具和工具的不同组合，每种组合都具有独特的有效负载能力。为了在有效负载重量内确保移动底座能够稳定导航，四足机器人具有有效负载调整功能，可以系统地计算有效负载质量。一旦估计出有效负载质量，系统就可以根据有效负载调整其运动，以确保运行过程中的安全性和稳定性。此外，有效负载调整功能允许Orthrus系统通过估计来使用未知质量的工具。

软件系统设计与功能

在系统控制方面，虽然四足机器人与PAPRAS分别独立控制，但在执行任务时也需要相互沟通。为了实现Spot驱动程序和操作PC之间的通信，研究人员将两台计算机通过有线网络进行了连接。   

有线连接与四足机器人的机载计算机建立通信可控制其动作。同时也可以实现低延迟通信，从而同步控制四足机器人和PAPRAS。

两个系统都使用ROS进行控制。即使整个系统的软件运行在同一台操作PC上，系统的软件也可以分为多层。它可以分为四足系统的定位和导航（系统的移动性）和PAPRAS的硬件控制（系统的操纵）。

▍娱乐！移动操纵！Orthrus测试与验证

通过模块化设计，该系统可以轻松用于移动操作任务，也可以作为人类娱乐系统。

研究人员通过家庭环境和各种娱乐环境中的应用对系统的模块化和多功能性进行了展示，充分验证了研究团队所提出系统可以提高人机交互水平，提供更具吸引力和互动性的体验。

移动操控实验

在移动操控实验中，Orthrus系统的实际应用为将目标菜肴从餐桌移至厨房水槽。此场景展示了Orthrus系统无缝集成机械臂和四足机器人执行一系列协调动作的能力。

算法1使用Orthrus进行清理的基本算法

1：初始化环境

2：导航到目标（表）

3：挑选（菜）

4：NavigateToGoal（厨房水槽）

5：地点（菜品）

6：导航到目标（首页）

最初，Orthrus系统初始化环境（步骤1）。利用其机载摄像头和传感器，该系统可以准确识别和定位环境中的物体。餐桌上放置的基准标记可帮助Orthrus系统识别桌子的位置（步骤2）并确定目标菜肴相对于桌子的位置。

一旦桌子和盘子被定位，作为Orthrus系统一部分的机械臂就会采用RRT-Connect运动规划器来确定拾取目标盘子所需的关节角度（步骤3）。为了防止与周围物体发生碰撞，规划器为机械臂创建有效且安全的轨迹，这些轨迹由关节轨迹控制器执行。PAPRAS硬件接口和Dynamixel电机控制机械臂的关节角度，确保运动流畅且准确。

Orthrus系统信念状态与工具

为了到达厨房水槽（步骤4），四足机器人在环境中导航，依靠SpotDriver和导航路径来规划并遵循安全有效的轨迹。为了保证精确导航，基准标记放置在厨房水槽前面，引导机器人到达适当的目的地。

到达厨房水槽后，Orthrus系统将餐具放置在指定位置（步骤5）。在PAPRAS硬件接口和Dynamixel电机的帮助下，机械臂的精确控制可以精确放置培养皿，从而成功执行任务。最后，四足机器人导航回到其原始位置（步骤6）。

娱乐和外展应用

Orthrus系统有效地开发了三种不同的娱乐形式：(1)利用工具的动态运动，(2)模仿动物的头部运动，(3)交互式应用程序。此外，研究团队还对改进的系统和控制界面进行了多次演示，以评估其稳健性和可靠性。    

1)使用工具进行动态运动

第一种娱乐形式侧重于将从源视频获得的参考动作重新定位到双臂机器人系统，从而产生视觉上引人入胜的机器人表演。该方法优先考虑运动学可行性和避免碰撞，这些问题可以使用基于灵活碰撞库(FCL)算法的MoveIt碰撞检查功能来解决。模拟通过检测和解决潜在的碰撞或不可行的配置来增强重定向运动的安全性和可靠性。在这种方法中，灵巧的假手充当末端执行器。

Orthrus 系统用于多种娱乐和外展应用。这些应用程序包括带有工具的多转弯模式（左上）模仿动物般的动作（中上）圣诞钟声响起（右上）基于路点的挥手（左下）糖果讲义（下中）和小学外展（下中）

2）模仿动物的动作

第二种娱乐形式涉及Orthrus系统使用干扰夹具，其设计类似于神话中的双头狗Orthrus的头部。这种创新的抓手具有类似下巴的结构，可以模仿狗下巴的运动。为了增强用户体验，抓手配备了摄像头，充当狗头上的“眼睛”。将摄像头集成到抓手的设计中，增强了用户体验的身临其境和互动性，让他们感觉好像正在与真实的活体动物互动。当连接到Orthrus系统时，干扰夹具的末端执行器可以以类似于双头狗的自然运动的方式移动和倾斜。这种动态且逼真的动作增强了体验的整体吸引力。

3）交互式应用程序

第三种娱乐形式涉及使用Orthrus与人们互动。在外展期间与孩子们互动的一个简单演示是分发糖果。Orthrus可以携带两篮糖果，并做出一些小动作，例如举起篮子和放下篮子，以指示人类何时可以伸手去拿糖果。互动演示时，有两名操作人员和一名安全人员。安全人员紧急停止并近距离观察机器人与人类之间的互动，而两名操作员则能够控制Orthrus的运动。   

通过使用工具结合动态运动并模仿动物般的头部运动，Orthrus系统提供了一种交互式且具有视觉吸引力的体验，突破了人机交互的界限。