新智元報(bào)道
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【新智元導(dǎo)讀】爆火全網(wǎng)的炒蝦機(jī)器人震撼升級(jí)了！斯坦福聯(lián)手 DeepMind 開(kāi)源升級(jí)版 ALOHA 2，全新的機(jī)器人不僅能戴隱形眼鏡、開(kāi)可樂(lè)，甚至還可以開(kāi)錢(qián)包抽鈔票！這種級(jí)別的精細(xì)控制簡(jiǎn)直神了……
一個(gè)月前，斯坦福爆火炒菜機(jī)器人 Mobile ALOHA，在今天全新升級(jí)二代 ALOHA 2！
先不說(shuō)別的，就「戴隱形眼鏡」這項(xiàng)任務(wù)，至今還沒(méi)有哪個(gè)機(jī)器人敢于發(fā)起挑戰(zhàn)。
看 ALOHA 2 這雙靈巧的雙手，先把一層薄如紙的外包裝撕開(kāi)，完整取出隱形眼鏡。
大眼熊貓玩偶成為第一個(gè)受試者，只見(jiàn) ALOHA 2 往眼珠子上一按，隱性眼鏡一下子就上去了。（就是眼珠子可能會(huì)有點(diǎn)疼）
「小偷機(jī)器人」ALOHA 2 還能在當(dāng)事人聊的正投入時(shí)，可以囊中取物。
悄悄地把錢(qián)夾子拿出來(lái)，抽出幾張美鈔，然后再偷偷地放回口袋。
不過(guò)，最后還是被發(fā)現(xiàn)了！
要說(shuō)這整（zuo）活（si）的程度，連「擎天柱」都自愧不如。
空中拋玩偶，一手扔，一手接，也是 6 的一批。
就看這隨手撬開(kāi)小小的可樂(lè)拉環(huán)那一幕，絕對(duì)瀟灑！
還有，將各種水果蔬菜模具進(jìn)行分類(lèi)這樣的簡(jiǎn)單任務(wù)，更是拿捏自如。
ALOHA 2 這番炫技，再次驚艷了眾人。當(dāng)然，以上這些畫(huà)面，都是遠(yuǎn)程操作完成的。
事情發(fā)展得太快了，真可怕！
有網(wǎng)友直接點(diǎn)名，下次想看 ALOHA 變魔術(shù)?。ù颂?@谷歌斯坦福團(tuán)隊(duì)，趕快安排?。?/p>
這次，與以往不同的是，谷歌 DeepMind 也下場(chǎng)了，一起聯(lián)手斯坦福、Hoku Labs「明星團(tuán)隊(duì)」推出 ALOHA 2！
據(jù)介紹，ALOHA 2 是一種用于雙手遠(yuǎn)程操作的增強(qiáng)型低成本硬件，大幅提升了初代 ALOHA 的耐用性，能夠在更復(fù)雜的任務(wù)上進(jìn)行大規(guī)模的數(shù)據(jù)收集。
更驚喜的是，ALOHA 2 此次的打造成本僅為 27,067.50 美元（約 19 萬(wàn)），比第一代還要便宜 3 萬(wàn)元。
詳單：
與往常一樣，機(jī)器人 ALOHA 2 硬件手把手教程，以及代碼全部開(kāi)源！
爆打初代 ALOHA，更靈敏反應(yīng)更快
研究人員把 ALOHA 2 組成一支「艦隊(duì)」，場(chǎng)面堪稱(chēng)壯觀。
這一次，全新 ALOHA 2 與第一代機(jī)器人，升級(jí)點(diǎn)在哪里？
首先是機(jī)械手，團(tuán)隊(duì)把它們改造得抓取性能更好、更堅(jiān)固。
甚至，團(tuán)隊(duì)還更改了抓握膠帶的布局，以改善機(jī)器人對(duì)小物體的抓握能力。
我們剛剛看到的，ALOHA 2 撕開(kāi)隱形眼鏡包裝，扣開(kāi)可樂(lè)罐等微小物體的操作能力上表現(xiàn)出色。
當(dāng)然了，ALOHA 2 也它不可以的時(shí)候，比如打開(kāi)這盒牛奶，費(fèi)了很大勁。
在 16 倍慢速的情況下，看分別這兩個(gè)抓手的響應(yīng)速度，很明顯 ALOHA 2 更快，初代 ALOHA 才一點(diǎn)點(diǎn)合并。
在引導(dǎo)側(cè)，還是使用了相同的導(dǎo)軌設(shè)計(jì)。
不過(guò)，為了進(jìn)一步改善人體工程學(xué)，團(tuán)隊(duì)用更易于反向驅(qū)動(dòng)的低齒比伺服器，取代了原來(lái)的伺服器。
這樣一來(lái)，操作員在打開(kāi)夾具時(shí)需要克服的摩擦力，就減少了 10 倍之多！
還有 Follower 夾持器的抓取力，采用了低摩擦導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，可以將 2 倍以上的力傳遞到夾持器尖端。
從下圖可以看出，ALOHA 2 比初代抓手能力提升了 2 倍，峰值為 30.1N。
接下來(lái)，團(tuán)隊(duì)還改進(jìn)了引臂的重力補(bǔ)償功能。
通過(guò)恒力牽引器（constant-force retractors）和彈簧滑輪系統(tǒng)，這個(gè)手臂可以在大多數(shù)地方「漂浮」。
比起原來(lái)的橡皮筋，它可耐用多了！
最后，團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)化了工作單元周?chē)目蚣?，同時(shí)保持了攝像機(jī)安裝點(diǎn)的剛性。
這就既為人機(jī)合作者開(kāi)辟了空間，也為機(jī)器人與道具互動(dòng)開(kāi)辟了空間。
虛擬世界中的 ALOHA 執(zhí)行任務(wù)
甚至，即使沒(méi)有硬件，我們都可以在 Mujoco 中使用 ALOHA 執(zhí)行復(fù)雜的任務(wù)！
因?yàn)閳F(tuán)隊(duì)發(fā)布了一個(gè)帶有 SysID 的 ALOHA sim 模型。
它可以將盤(pán)子，精準(zhǔn)地放回收納架中。
換只手拎大錘，交替自然。
平底鍋炒「空氣」，也能意思一下。
整理收納桌上的物品，一只手接，一只手放。
ALOHA 2 的重大改進(jìn)
這次的 ALOHA 2，繼承了 ALOHA 的原始設(shè)計(jì)，由一個(gè)雙臂并聯(lián)加持工作單元（包含兩個(gè) ViperX 6-DoF 手臂）和兩個(gè)更小的 WidowX 手臂組成。
前者是從動(dòng)（follower），后者是主控（leader）。
WidowX 與 ViperX 有相同的運(yùn)動(dòng)結(jié)構(gòu)，只是體積更小。
從動(dòng)的關(guān)節(jié)動(dòng)作與主控臂同步，用戶(hù)可以通過(guò)操作主控臂，來(lái)遠(yuǎn)程控制從動(dòng)臂，就跟提線木偶一樣。
此外，系統(tǒng)還配備了多個(gè)攝像頭，可以從多個(gè)角度捕捉圖像，這樣就可以在遠(yuǎn)程操作期間收集 RGB 數(shù)據(jù)。
機(jī)器人安裝在一個(gè) 48 英寸 x30 英寸的桌子上，周?chē)幸粋€(gè)鋁制保護(hù)框架，它不僅為攝像頭提供了額外的安裝點(diǎn)，還集成了重力補(bǔ)償系統(tǒng)。
為了支持復(fù)雜操控任務(wù)的研究，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃在 ALOHA 平臺(tái)上大幅擴(kuò)展數(shù)據(jù)收集的規(guī)模，包括增加機(jī)器人的數(shù)量、每臺(tái)機(jī)器人的數(shù)據(jù)收集時(shí)長(zhǎng)以及數(shù)據(jù)收集的多樣性。
因此，團(tuán)隊(duì)的目標(biāo)相對(duì)于第一代 ALOHA 平臺(tái)，就有了一些變化，在以下幾方面做了改進(jìn) ——
- 性能與任務(wù)范圍：提升 ALOHA 關(guān)鍵組件的性能，如夾持器和控制系統(tǒng)，以支持更多樣的操控任務(wù)。
- 用戶(hù)友好性與人體工程學(xué)：為了使數(shù)據(jù)收集工作更加高效，這次團(tuán)隊(duì)將用戶(hù)的體驗(yàn)和舒適度放在首位，對(duì)系統(tǒng)的響應(yīng)速度和人體工程學(xué)設(shè)計(jì)進(jìn)行了優(yōu)化。
- 系統(tǒng)魯棒性：團(tuán)隊(duì)簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)，確保了更大規(guī)模機(jī)器人群的易于維護(hù)，這樣就可以提高系統(tǒng)的魯棒性，減少因故障診斷和修理導(dǎo)致的停機(jī)時(shí)間。
為了實(shí)現(xiàn)這些目標(biāo)，團(tuán)隊(duì)在夾持器、重力補(bǔ)償、架構(gòu)、攝像頭、模擬等方面都進(jìn)行了改進(jìn)。
可以看到，通過(guò)這些改進(jìn)，操作者可以更輕松地對(duì)一些挑戰(zhàn)性任務(wù)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制，比如疊 T 恤、打結(jié)、拋擲物體，甚至是精度要求極高的工業(yè)作業(yè)。
現(xiàn)在，每臺(tái)機(jī)器人每天都能在這些任務(wù)上完成數(shù)百次的演練，效率大幅提升。
硬件
主控夾持器（Leader，操作者手持的設(shè)備）
為了實(shí)現(xiàn)更流暢的遠(yuǎn)程操作體驗(yàn)和更好的人體工程學(xué)設(shè)計(jì)，團(tuán)隊(duì)將 ALOHA 的原始剪刀型夾持器設(shè)計(jì)，替換成了一種低摩擦軌道設(shè)計(jì)，這就顯著降低了機(jī)械復(fù)雜度。
為了進(jìn)一步減輕操作者的負(fù)擔(dān)，團(tuán)隊(duì)還把原來(lái)的夾持器電機(jī)更換為摩擦更小的型號(hào)，這種電機(jī)齒輪比更低，且采用了低摩擦金屬齒輪代替了塑料齒輪。
這種新設(shè)計(jì)，就使開(kāi)啟和關(guān)閉夾持器的力量需求減少到原來(lái)的十分之一。這就顯著降低了操作者在長(zhǎng)時(shí)間采集數(shù)據(jù)時(shí)的手部疲勞和壓力。
在決定采用線性軌道設(shè)計(jì)時(shí)，團(tuán)隊(duì)對(duì)比了另外兩種設(shè)計(jì)方案。
首先是 ALOHA 中采用的原始剪刀型設(shè)計(jì)，它通過(guò)定制的 3D 打印轉(zhuǎn)子和軌道來(lái)實(shí)現(xiàn)夾持器電機(jī)的反向驅(qū)動(dòng)。
另外還有一種帶彈簧的扳機(jī)設(shè)計(jì)，拉動(dòng)扳機(jī)時(shí)，夾持器就關(guān)上，如果放開(kāi)，它就回到自然的開(kāi)放狀態(tài)。
團(tuán)隊(duì)找來(lái) 6 名用戶(hù)，用這三種裝置通過(guò)遠(yuǎn)程操控拆開(kāi)糖果包裝。
結(jié)果顯示，用戶(hù)的偏好各不相同，但幾乎所有人都給線性軌道設(shè)計(jì)投了一票。
從動(dòng)夾持器（Follower，操縱物體的機(jī)器手）
在 ALOHA 2 中，團(tuán)隊(duì)把機(jī)器人的「手指」也改良了。
這種新型夾持器摩擦力更低，這就減少了操作者與機(jī)器人「手指」之間的反應(yīng)延遲，極大提升了用戶(hù)體驗(yàn)，從視頻中可以看出，新設(shè)計(jì)在反應(yīng)時(shí)間上大大加快。
這副新手也讓夾持器的力量達(dá)到了舊款的 2 倍，抓物體更牢了。
而原有的 PLA 和丙烯酸結(jié)構(gòu)，被替代為了 3D 打印的碳纖維尼龍材料，這就提高了「手」的柔韌性 —— 承受重載時(shí)，它能適度彎曲，讓操作更安全。
這次，團(tuán)隊(duì)保留了 ALOHA 手指關(guān)節(jié)的透明設(shè)計(jì)。在夾持器內(nèi)側(cè)使用了聚氨酯抓握帶，并在手指外側(cè)增加了膠帶，因而提升了抓握力。
重力補(bǔ)償 —— 被動(dòng)系統(tǒng)
為了減輕遠(yuǎn)程操控的疲勞感，團(tuán)隊(duì)還設(shè)計(jì)了一種「重力補(bǔ)償」機(jī)制 —— 通過(guò)可調(diào)節(jié)的懸掛式緩沖器，人類(lèi)操作者就可以根據(jù)自己的舒適度調(diào)整平衡力。
研究人員對(duì)比了被動(dòng)硬件重力補(bǔ)償系統(tǒng)，與一個(gè)基于軟件的主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的差異。
簡(jiǎn)單來(lái)說(shuō)，「重力補(bǔ)償」就是保證機(jī)器人移動(dòng)手臂之后，依然能夠保持在一個(gè)位置上不動(dòng)。
「主動(dòng)系統(tǒng)」利用 MuJoCo 模型的逆向動(dòng)力學(xué)。計(jì)算出重力負(fù)載的等效扭矩，然后將扭矩命令傳遞給主控機(jī)器人的關(guān)節(jié)。
為了展開(kāi)這項(xiàng)研究，6 位用戶(hù)通過(guò)遠(yuǎn)程操控機(jī)器人，嘗試在 10 分鐘內(nèi)完成一個(gè)精確的任務(wù)。
即，將不同形狀的物體插入盒子中相應(yīng)的孔中。操作員以隨機(jī)分配的順序在兩個(gè)系統(tǒng)上嘗試執(zhí)行任務(wù)。
結(jié)果發(fā)現(xiàn)，平均而言，操作員使用被動(dòng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)表現(xiàn)更好（每分鐘插入 1.38 個(gè)形狀，相比之下主動(dòng)系統(tǒng)為 0.97 個(gè)）。
根據(jù)參與者的反饋，作者推測(cè)「被動(dòng)系統(tǒng)」能夠提供更平穩(wěn)、可預(yù)測(cè)的操作體驗(yàn)。
然而，「主動(dòng)系統(tǒng)」操作起來(lái)需要更多力量，且動(dòng)作更為生硬，可能是因?yàn)樗欧姍C(jī)調(diào)節(jié)不當(dāng)，或是在抵抗重力時(shí)存在輕微的延遲。
此外，「被動(dòng)系統(tǒng)」還有 2 個(gè)額外的優(yōu)點(diǎn)：
1. 通過(guò)完全關(guān)閉主控機(jī)器人關(guān)節(jié)的動(dòng)力，可以避免軟件錯(cuò)誤或異常情況下的意外大幅移動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)更安全的遠(yuǎn)程操作；
2. 力牽引器讓機(jī)械臂自然居中，避免了手腕過(guò)度旋轉(zhuǎn)，這是主動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)的一個(gè)弱點(diǎn)。
由此，在 ALOHA 2 項(xiàng)目，研究人員選擇了「被動(dòng)系統(tǒng)」。
不過(guò)，他們認(rèn)為，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)拈_(kāi)發(fā)和調(diào)試，一個(gè)「主動(dòng)系統(tǒng)」可能會(huì)超越「被動(dòng)系統(tǒng)」的性能，并可能擴(kuò)展一些有用的功能，比如為用戶(hù)提供觸覺(jué)反饋。
4 個(gè)攝像頭
研究人員還把 ALOHA 系統(tǒng)中的攝像頭，升級(jí)為 4 個(gè) RealSense D405 攝像頭。
它們不僅體積小巧，還能提供高分辨率的彩色圖像和深度信息，并且提供全局快門(mén)功能。
研究人員還為腕式相機(jī)和頂部以及低角度視角設(shè)計(jì)了新的支架（參見(jiàn)圖 6）。
腕式相機(jī)的緊湊設(shè)計(jì)顯著減少了可能的碰撞風(fēng)險(xiǎn)。
對(duì)于那些需要精細(xì)操作的任務(wù)來(lái)說(shuō)，特別是在手臂需要緊密配合或在狹小空間內(nèi)操作時(shí)，這種設(shè)計(jì)顯著提升了遠(yuǎn)程操控的效果。
遠(yuǎn)程操作
ALOHA 2 的遠(yuǎn)程操作，是如何實(shí)現(xiàn)的呢？
研究人員利用 ROS2 來(lái)運(yùn)行遠(yuǎn)程操作軟件棧。
啟動(dòng)時(shí)，主控臂和從動(dòng)臂（ leader & follower arms）都會(huì)初始化到初始位置。操作員可以通過(guò)操作任一主控機(jī)器人上的夾持器手指部件來(lái)啟動(dòng)數(shù)據(jù)收集會(huì)話。
通過(guò)操作工作單元下方的腳踏板，操作員能夠保存或放棄該會(huì)話。
在遠(yuǎn)程操作會(huì)話中，研究人員記錄了包括圖像、主控臂和從動(dòng)臂關(guān)節(jié)位置，以及 ROS2 系統(tǒng)提供的其他輔助數(shù)據(jù)在內(nèi)的機(jī)器人傳感器數(shù)據(jù)流。
為了確保下游處理流程能接收到完整、高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，他們還在數(shù)據(jù)收集時(shí)采取了多項(xiàng)措施，這對(duì)機(jī)器人學(xué)習(xí)流程至關(guān)重要。
操作員在數(shù)據(jù)收集過(guò)程中能夠看到傳感器可用性和延遲等會(huì)話統(tǒng)計(jì)信息，以確保數(shù)據(jù)的可靠記錄。
為了保證下游學(xué)習(xí)流程始終獲得完整數(shù)據(jù)，一旦發(fā)現(xiàn)數(shù)據(jù)缺失，會(huì)話將自動(dòng)終止。
記錄會(huì)話時(shí)，研究人員會(huì)記錄操作員用戶(hù)名、時(shí)間和機(jī)器人標(biāo)識(shí)符，以及機(jī)器人的原始傳感器數(shù)據(jù)流。
此外，還會(huì)記錄額外的數(shù)據(jù)，以便在后期發(fā)現(xiàn)某些機(jī)器人在特定時(shí)間段內(nèi)存在問(wèn)題時(shí)能夠進(jìn)行數(shù)據(jù)過(guò)濾。
模擬
這次，團(tuán)隊(duì)還推出了 ALOHA 2 工作站的一個(gè)模擬版本，這個(gè)版本基于 MuJoCo Menagerie 技術(shù)，對(duì)遠(yuǎn)程操控和在虛擬環(huán)境中的學(xué)習(xí)非常有幫助。
比起之前的 ALOHA 模型，這個(gè)新模型在模擬物理行為和視覺(jué)效果上，都有顯著提升。
通過(guò)分析真實(shí)的 ALOHA 2 操作軌跡，就可以調(diào)整模擬模型中的物理參數(shù)，使它更貼近現(xiàn)實(shí)。
在實(shí)驗(yàn)中，研究者記錄了使用主控臂進(jìn)行的 11 次操作軌跡，通過(guò)專(zhuān)門(mén)的計(jì)算方法，減少了這些真實(shí)軌跡與模擬軌跡之間的差異。
在這個(gè)過(guò)程中，研究者調(diào)整了模擬中位置控制元件的一系列參數(shù)，包括動(dòng)作的比例控制、阻力、連接部分的摩擦力和扭力限制等。
為了讓模擬效果更加逼真，研究者盡可能模仿了真實(shí)設(shè)備的相機(jī)設(shè)置（參看下圖的模擬相機(jī)視角），并且還原了工作臺(tái)及其邊緣部件、從動(dòng)夾持器的細(xì)節(jié)。
這個(gè)超級(jí)逼真的模型，就可以讓人們通過(guò) ALOHA 2 WidowX 主控設(shè)備，以快速、直觀、易擴(kuò)展的方式收集模擬數(shù)據(jù)。
這樣一個(gè)開(kāi)源的高品質(zhì)模型，就可以結(jié)合精確的系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，促進(jìn)不同機(jī)構(gòu)間共享遠(yuǎn)程操作模擬數(shù)據(jù)，加快研究在模擬環(huán)境中進(jìn)行決策策略學(xué)習(xí)。
手把手教你造 ALOHA 2，成本僅 19 萬(wàn)
最后，谷歌 DeepMind 還做了一份詳細(xì)的搭建指南，從零部件的準(zhǔn)備到具體的實(shí)施全流程覆蓋。
（以下是部分節(jié)選）
3D 打印的部分所需的零件：
搭建框架與重力補(bǔ)償系統(tǒng)：
優(yōu)化原始的 ALOHA 框架，從而適應(yīng)重力補(bǔ)償系統(tǒng)和新的相機(jī)位置：
安裝移動(dòng)工作站：
安裝機(jī)器人：
將橫桿定位于桌子前端 305mm 處
安裝攝像頭：
你覺(jué)得全新升級(jí)的 ALOHA 2 怎么樣？
參考資料：
https://twitter.com/tonyzzhao/status/1755380475118719407
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