AthenaZero: A low-inertia, bimanual robot for dynamic manipulation
AthenaZero 是一款新型低惯量双臂机器人，它利用准直接驱动驱动技术和传输远程化技术，实现了与人类相当的末端质量和转矩透明度，使其能够成功执行速度超过 30 m/s 的高速动态棒球任务，如投球、接球和击球。
原始论文采用 CC BY 4.0 许可（http://creativecommons.org/licenses/by/4.0/）。 这是对下方论文的AI生成解释。它不是由作者撰写或认可的。如需技术准确性，请参阅原始论文。 阅读完整免责声明
几十年来，机器人领域一直分为两个截然不同的阵营。一方面，研究人员制造出的机器在地面行走或奔跑时具有惊人的速度和敏捷性。这些机器通过将身体视为动态系统（其中动量和平衡与驱动肌肉一样重要）来学习奔跑、攀爬甚至进行杂技动作。另一方面，旨在抓取和移动物体的机器在很大程度上仍保持着静态特征。它们被设计得僵硬、沉重且精确，这种刚性使其在工厂中很安全，但在与不可预测的世界互动时却显得笨拙。由于沉重的部件难以快速改变方向，它们的移动速度缓慢；而且如果它们撞到物体，撞击的感觉就像是被砖头砸中，而不是被一只温柔的手触碰。这种差距使得科学家们缺乏一种工具来研究机器人如何像生物一样动态地与世界互动，特别是在处理那些发生在瞬息之间任务时。
位于马萨诸塞州剑桥市的 RAI 研究院的一支研究团队致力于通过名为 ATHENAZERO 的新机器人来弥合这一鸿沟。该团队的目标是制造一台能够像人类运动员一样快速、流畅地投掷、接球和击球的双臂机器。为了实现这一目标，他们必须解决一个根本问题：大多数机器人的末端太重，如果不进行调整，在快速移动时会损坏物体。研究人员意识到，要让机器人真正具备动态特性，必须让它在接触世界时感觉像人类手臂一样轻盈，同时又要足够强壮以能挥动棒球棒。他们成功创造出一种在接触点重量仅相当于人类肢体的机器，这使其能够对冲击做出反应并在毫秒内改变方向——这种能力长期以来一直是生物系统而非机械系统的领域。
这一成就的核心在于机器人的构造方式。传统的工业机器人使用齿轮来倍增电机的动力，就像自行车使用齿轮来让爬坡变得更容易一样。虽然这增加了机器人的力量，但也让沉重的电机部件对外界而言显得更加沉重，在机器人运动时产生一种迟钝、沉重的感觉。ATHENAZERO 团队拒绝了这种方法。相反，他们采用了一种设计，将电机放置在靠近机器人身体中心的位置，并通过长而高效的皮带和缆绳与运动的手臂连接。这种被称为“传动远程化”的技术，使沉重的电机不会在手臂末端摆动。此外，他们避开了通常会减慢速度的沉重齿轮，选择了直接连接，使机器人能够自由移动并感觉轻盈。其结果是，机器人在指尖感受到的重量与人类手臂相当，约为三公斤，而大多数商用机器人的感觉重量是其十倍。
为了证明这种设计的有效性，研究人员让 ATHENAZERO 进行了一系列标准机器人无法完成的测试。他们设置了一个场景，要求机器人进行接球和击球，这些任务需要极高的时机把握能力以及吸收突然冲击的能力。在一项实验中，机器人投掷棒球的速度超过了每秒 30 米。在另一项实验中，它接住了一个以类似速度飞来的球，并在不到半秒的时间内调整了抓握和手臂位置，从而稳稳接住物体而没有掉落。团队还让机器人用球棒击打网球，这项任务要求两只手臂在高速挥动时保持完美同步。即使在球随机飞向它时，机器人也能在 80% 以上的情况下成功击球，这证明了它能够实时调整动作以应对挑战。
这些测试的成功凸显了 ATHENAZERO 与以往机器人之间的关键区别。当沉重的机器人撞击球时，冲击往往会导致球不受控制地飞走，因为机器人无法顺应这种力量。相比之下，ATHENAZERO 足以轻盈到可以吸收冲击并平滑地重新引导能量。研究人员发现，当他们把一个摆锤落在机器人的手臂上时，机器人会随着冲击而移动，允许摆锤继续其前进的运动。而当他们对标准的商用机器人进行同样操作时，沉重的手臂会生生止住摆锤，导致其向后弹回。这种顺应力量而非抵抗力量的能力，使得 ATHENAZERO 能够在高速运动时，以一种自然且安全的方式与世界互动。
研究人员并没有掩盖这种设计所涉及的权衡。通过使机器人如此轻盈且响应迅速，他们牺牲了机器人长时间完美固定重物的能力。标准的机器人可以用一种 ATHENAZERO 无法比拟的刚性来固定重量，因为新机器人依赖于其软件和快速电机来保持位置，而不是依靠沉重、僵硬的齿轮。然而，团队认为，对于他们正在探索的这类动态任务而言，这种局限性是可以接受的。他们展示了机器人仍然可以举起并保持近两公斤的重量，这与人类的能力相当，并且他们的观点是，其速度和敏捷性远比静态持有能力在许多现实场景中更为重要。
这项工作的意义不仅限于玩球。研究人员指出，通过制造能够以人类般的动态范围运动的机器人，他们正在开启一个全新交互时代的大门。如果机器人可以感觉轻盈并反应迅速，它就可以在充满不可预测性和快节奏的环境中（如运动场或繁忙的工作坊）与人协作。团队通过让人类与机器人玩接球游戏展示了这一点，显示出机器可以适应人类的投掷风格和时机。这种由优先考虑低惯性和高控制的设计所驱动的适应能力表明，机器人的未来可能不在于制造更强壮或更僵硬的机器，而在于制造更轻、更快、对周围世界反应更敏捷的机器。
最终，ATHENAZERO 作为一个概念验证，证明了过去那种沉重、缓慢的机器人并非唯一的未来方向。通过重新思考电机与手臂连接的基本架构，研究人员创造出了一台可以以每秒 30 米的速度投球、在不到一秒内接球并精准击球的机器。这不仅仅是令人印象深刻的工程壮举；它们证明了机器人终于可以像它们所设计的那些生物一样，拥有动态的自由。这项工作表明，当你剥离掉不必要的重量和刚性，机器人可以学会一种不仅具有功能性，而且真正具有运动天赋的运动方式。
您所在领域的论文太多了？
获取与您研究关键词匹配的最新论文每日摘要——附技术摘要，使用您的语言。