Give me a hand！ 穿戴式模塊化機(jī)械手臂可成為作業(yè)人員的第三只手

卡內(nèi)基美隆大學(xué)(Carnegie Mellon University；CMU)仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室(Biorobotics Lab)的研究團(tuán)隊(duì)基于機(jī)器蛇(snake robot)的模塊化(modular)機(jī)器節(jié)段(robotic segment)，開發(fā)穿戴式的附加機(jī)械手臂，對于原本單人雙手不易處理的作業(yè)將可額外助其一(或多)臂之力。

根據(jù)TechCrunch報(bào)導(dǎo)，2017年CMU仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室開發(fā)機(jī)器蛇，原本是為狹小空間的搜救任務(wù)與基礎(chǔ)設(shè)施檢驗(yàn)而設(shè)計(jì)，后來模塊化以各種機(jī)器節(jié)段組成，工程人員可依需求搭配混用不同功能的節(jié)段，或以不同的制造節(jié)段互相取代。這些彈性帶動一系列不同應(yīng)用的發(fā)展計(jì)畫，如類蜘蛛的六足機(jī)器人(hexapod robot)，并催生至少一家匹茲堡地區(qū)的新創(chuàng)公司。

類似后背包的穿戴式附加機(jī)器手臂能助作業(yè)人員一臂之力

CMU仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室的學(xué)生團(tuán)隊(duì)運(yùn)用機(jī)器節(jié)段自主進(jìn)行各種應(yīng)用計(jì)劃，基于HEBI Robotics機(jī)器致動器(robotic actuator)模塊的機(jī)器節(jié)段硬件功能強(qiáng)大，可重新配置組成各式不同形狀，并提供完整開發(fā)環(huán)境支持快速編程以提供新功能，有助于激發(fā)新的研究方向與促進(jìn)研發(fā)成果商業(yè)化。

協(xié)作機(jī)器人(cobot)較傳統(tǒng)機(jī)器人更小型與輕量，且能提升與人類協(xié)作時(shí)的安全性。模塊化機(jī)器人透過1組可重配置的硬件而具備適應(yīng)各種工作的能力，可加速客制化機(jī)器人的發(fā)展且較傳統(tǒng)機(jī)器人更具成本優(yōu)勢。不過即使計(jì)算能力、工程經(jīng)驗(yàn)、直覺皆齊備，目前仍不易快速配置模塊化機(jī)器人并為目標(biāo)作業(yè)編程。

CMU仿生機(jī)器人實(shí)驗(yàn)室致力于自動集成模塊化機(jī)器手臂的設(shè)計(jì)與控制器，發(fā)展機(jī)器人設(shè)計(jì)與編程的算法，確保模塊化的協(xié)作機(jī)器人能近距離與人類協(xié)作，執(zhí)行如輔助餵食(assistive feeding)與協(xié)作制造(collaborative manufacturing)等工作，例如博士生Julian Whitman開發(fā)穿戴式附加肢體的原型裝置，能在使用者處理雙手不易應(yīng)付的復(fù)雜作業(yè)時(shí)提供協(xié)助。

由機(jī)器節(jié)段模塊構(gòu)成的機(jī)器手臂連接至配備控制與動力組件且類似后背包的支撐結(jié)構(gòu)，而非采外骨骼(exoskeleton)方式，使用者透過游戲控制器以按鈕或語音指令操控機(jī)器手臂，非常適合在頭頂上方的作業(yè)空間助使用者一臂之力，例如汽車或飛機(jī)組裝作業(yè)常要將某些零部件舉高鎖定在頭頂上方位置，便可用機(jī)器手臂將零部件就定位，由工作人員進(jìn)行鎖定。

Julian Whitman的附加機(jī)器手臂其終端效應(yīng)器(end effector)為橡膠包覆、具備壓縮彈簧鉸鏈的金屬平板。未來后背包的支撐結(jié)構(gòu)或可擴(kuò)充更多附加機(jī)器手臂，端視使用者的負(fù)重能力與限定時(shí)間內(nèi)能控制機(jī)器手臂的極限，畢竟超過某個(gè)數(shù)量后不僅控制困難且實(shí)用性下降，不過附加機(jī)器手臂若能提高自主性，并具備專屬的感知力與決策程序，功能將更強(qiáng)大。

HEBI Robotics的串聯(lián)式彈性(series-elastic)致動器模塊采用標(biāo)準(zhǔn)化硬件并內(nèi)建安控機(jī)制，具備可同時(shí)控制位置、速度、轉(zhuǎn)矩(torque)的傳感器與三軸慣性測量(inertial measurement)元件，精簡的封裝集成了無刷馬達(dá)、控制電子單元、編碼器(encoder)、標(biāo)準(zhǔn)10/100Mbps以太網(wǎng)絡(luò)、齒輪組(geartrain)、彈簧，可由18~48V的DC電源提供動力。

HEBI Robotics的致動器為全功能機(jī)器部件模塊而非僅是伺服馬達(dá)(servo motor)，啟動時(shí)無需校正或歸位即可持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)輸出，并提供穿孔(thru-bore)以利菊鏈串接(daisy-chaining)與配線，讓工程師、產(chǎn)業(yè)集成者、研究人員可快速而容易的配置，廣泛應(yīng)用于建構(gòu)輪行式機(jī)器人(wheeled robot)、多自由度協(xié)作機(jī)器手臂等適合不同用途的客制化機(jī)器人。

HEBI Robotics的致動器采用免費(fèi)的ChibiOS，提供包括實(shí)時(shí)操作系統(tǒng)(RTOS)、硬件抽象層(HAL)、周邊驅(qū)動程序、支持檔案與工具，并集成外部的開源元件以提供完整的崁入式裝置與應(yīng)用開發(fā)環(huán)境解決方案。HEBI Robotics可提供客戶致動器的獨(dú)立模塊或是預(yù)先組裝且配置好的套件。