机械臂【抖空竹】你见过吗？欧姆龙放大招，继乒乓球教练机器人之后又一力作 / 四六文摘

最近，来自中华的古老神秘力量“席卷”了机器人领域，连机器人都玩起了抖空竹。

这是OMRON SINIC X公司开发的空竹机器人，这家公司可来头不小，它是日本企业欧姆龙（OMRON）在2018年打造的一家专门研究机器人技术和人工智能的子公司，号称是欧姆龙“近未来设计”的战略基地。

想必欧姆龙这个名字大家应该不陌生了，它掌握世界领先的传感与控制技术。之前他们开发的乒乓球教练机器人上榜了吉尼斯世界纪录，小编到现在还记忆犹新。

今天要给大家介绍的空竹机器人是由两个机械臂组成的，不仅可以自己玩，还能和人类互动。

抖空竹有多难？

空竹是一种杂耍道具，类似于大型溜溜球。

你可能觉得，这不就是公园里老大爷耍的玩具嘛！

可别小看这个玩具，从我国明代时期就有童谣“杨柳儿活，抽陀螺，杨柳儿青，放空钟”。不仅历史悠久，抖空竹还是项技术活，需要四肢巧妙配合完成。当双手抖动做各种花样技巧时，上肢的肩关节，肘关节，腕关节；下肢的跨关节，膝关节，踝关节都在不同程度的运动着。

甚至还有国际友人不远万里来到空竹的故乡中国，学习最正宗的杂耍技巧。

人类抖空竹时都这么难，机械臂是如何抖空竹的呢？

建立仿真模型

在构建这个复杂的系统之前，欧姆龙的研究人员建立了机械臂抖空竹的仿真模型。

绳子是空竹表演的核心，但模拟起来很复杂。它的摩擦力取决于许多难以测量的参数，并且空竹和绳子的相互作用是动态和非线性的，因此，研究人员将抖空竹的运动简化为一个椭圆。

下图描述了在弦线拉紧时空竹可以到达的所有位置，在3D中，椭圆变成椭球形。

假设空竹具有不同的状态：

“绳子绷紧”——绳子绷紧会将空竹保持在椭圆内，沿轴的运动会加速或减速空竹；轴和弦通过摩擦相互作用。

“松开绳子”——绳子松了，空竹不动，仍然固定在绳子中间；轴和弦之间没有摩擦。

“飞行”——空竹完全脱离了绳子，其运动会脱离椭圆范围。

应用仿真模型：基于模型的预测控制（MPC）

研究人员可以通过空竹的仿真模型来预测其在不同状态下的运动。使用空竹的速度和位置作为输入，并针对不同的状态预测其轨迹。使用遗传优化算法，向优化器添加初始操纵杆轨迹并调整其关键点直到空竹达到其目标状态（或足够接近）：

上图中，黄色代表预测的空竹轨迹；绿色代表目标状态；白色代表下一个轨迹的开始；红色和蓝色代表带有关键点的轨迹。

根据生成的操纵杆轨迹转换为机械臂抖空竹时的运动轨迹，执行：

下一步探索

空竹机器人象征着欧姆龙公司关于未来的人机合作的思考，目前仅仅停留在让空竹在绳子上来回运动、抛起来并接住。研究人员表示，他们未来会让机器人有更多的动作，像这样：

或是这样：

他们还将发布该模型作为独立模块和Gazebo插件以供学习。

这项工作是Devwrat Joshi在2020年4月至10月期间实习的结果。用他自己的话说：“空竹模型的构建给我带来了许多独特而有趣的挑战，我们的模型明显优于纯粹基于学习的预测器，并且该系统可以生成稳定的运动，从而加快了空竹的运动。”

【参考链接】

https://arxiv.org/pdf/2011.09068.pdf

https://www.omron.com/sinicx/

https://medium.com/sinicx/an-analytical-diabolo-model-for-robotic-learning-and-control-c8d8a8384d6d

END

好文回顾

机械臂【抖空竹】你见过吗？欧姆龙放大招，继乒乓球教练机器人之后又一力作