ETH Zurich 让机械手靠 AI 学会用指尖行走并操作物体

一只手连接在手臂末端，对大多数人来说是理所当然的，但如果机器人不必遵循与我们相同的规则呢？来自苏黎世联邦理工学院的研究人员将一只现成的机械手改造成了一个完全自包含的机器人，它用指尖行走，同时用这些同样的手指来操控环境。

除了为任何计划打扮成《亚当斯一家》成员的人制作完美的万圣节配饰——他们以一只名为Thing的无身行走之手而闻名——研究人员表示，这种方法可能使得在传统机械臂无法触及的地方操作控件和处理物体成为可能。

领导该项目的Amirhossein Kazemipour是瑞士苏黎世联邦理工学院软体机器人实验室的博士生，他认为这只手在工业环境中的精细维护任务，或在搜救中可能有用，机器人可以拆下自己的手来探索其身体其余部分无法进入的狭窄空间。更广泛地说，他表示，这项工作朝着一种新的机器人技术方法迈出了一步，在这种方法中，身体部位不再局限于单一角色。

“我想看看一只机械手在没有机器人其余部分的情况下能做什么，”Kazemipour告诉IEEE Spectrum。“与其对机器人部件持有这种传统观点，不如我们能否用这些部件来完成它们并非设计用于的其他任务。”

这并非首次尝试让机械手行走，但此前的工作通常依赖于专门设计的手。相反，苏黎世联邦理工学院团队决定使用来自Wuji Technology的现成硬件，并加装一个80克重的背包，内含电池、惯性测量单元（IMU）和Raspberry Pi Zero。Kazemipour表示，他们决定采用商用机械手，是因为不想在手部操控能力上妥协。他补充说，这带来了重大挑战，因为手的形状是为抓取而优化的，而非为爬行。

如何用手指行走

为了教这只手行走，研究人员在仿真中使用强化学习训练了一个模型——这种方法让模型通过多轮试错来学习技能，在接近期望行为时获得奖励，偏离时受到惩罚。但Kazemipour表示，手部不寻常的几何形状意味着他们不能直接重用用于训练其他类型腿式机器人的方法。他说，标准的四足或双足机器人往往左右对称，这简化了行走和平衡。相比之下，手完全不对称，手指长度不同，还有可对生的拇指。

除了对以正确速度和方向移动给予奖励、对摇晃或抖动等动作进行惩罚之外，团队还引入了一种新颖的方法，在模拟训练中让手保持爬行姿态。为了解决手指长度不一的问题，他们根据每根手指在爬行姿势下自然所处的位置，为其设定了相对于手掌的目标位置。然后，他们对偏离该参考点过远的手指进行惩罚，创造出他们所称的“虚拟弹簧”，将手指拉回爬行姿态。关键在于，手指前后移动的惩罚远小于左右移动的惩罚，因此以这种方式迈步对手的代价与移动所获得的奖励相比非常小。

团队还针对诸如手倒下后自我扶正、按键盘按键以及将物体推到目标位置等技能分别训练了模型。Kazemipour 表示，这四个模型都能装入手载计算机，控制器可以根据需要在它们之间切换。在真实世界测试中，这只手在包括光滑地板、金属格栅、草地和碎石在内的 14 种不同表面上爬行。其他实验证实，它既能右转也能左转，平均速度达到每秒 9 厘米。在 25 次试验中，这只手有 21 次能够自我扶正。当获得来自顶部摄像头的视频信号时，它甚至能够自主将一块 41 克的立方体连续 15 次推到最远 40 厘米外的目标位置。

“这项工作最让我感兴趣的是，同样的手指既能移动手、支撑其重量，又能与周围环境互动，”Masahiko Inami 说，他是东京大学的教授，其团队开发了手形行走机器人。他同意，一只可移动的手可能有助于到达狭窄空间并操作整条手臂难以触及的控制装置，不过他表示实际部署需要机载感知和更稳健的导航。Hideki Shimobayashi 是 Inami 实验室的博士生，他也指出，与抓取相比，行走给手带来的负载非常不同，因此耐用性可能是一个挑战。

然而，Matei Ciocarlie 表示，这是一个“很酷的结果”，表明机器人手不必局限于与人类手相同的能力。他是哥伦比亚大学机械工程副教授。“人们可以想象出一类全新的移动操作器，它们同时具备灵巧性，能够穿越复杂地形，并能够操作与自身尺寸相当的负载，”他说。

Kazemipour 将自己的工作视为一个更长期愿景的一部分，即机器人由不局限于单一任务甚至单一身体构型的部件组成，他称之为“自主模块化具身”。“机器人身体部件不应被永久分配单一功能，”他说。“它们可以根据任务在角色之间动态转换，在一个具身系统的组件与自主智能体之间转换。”