张大妈

斯坦福:让机器人会用力低成本手持示教系统

源自小红薯:每日ComputerScience

01-24 20:28

机器人操作中,任务的失败常因力控不当。斯坦福大学推出的UMI-FT手持示教系统,以极低成本解决了这一难题。它通过指级力感知,让机器人能同时学习动作轨迹与施力大小,显著提升了在真实复杂环境中的操作能力,为具身智能的规模化落地提供了新思路。

斯坦福:让机器人会用力低成本手持示教系统智能速览

  • 传统机器人操作失败多因力控不当,而非动作不准。

  • UMI-FT系统在每根手指集成了硬币大小的六轴力传感器

  • 单个传感器物料成本仅约10美元,实现力感知数据低成本采集。

  • 系统同步采集位姿、视觉、力等多模态数据,完整还原操作细节。

  • 已成功应用于白板擦拭、黄瓜串签等高接触力敏任务验证。

斯坦福:让机器人会用力低成本手持示教系统精华内容

UMI-FT系统究竟如何实现低成本、高精度的力感知与示教?其硬件设计和学习框架的巧妙之处,正是解决机器人现实操作瓶颈的关键。

指级力传感核心

UMI-FT的核心硬件突破在于其名为CoinFT的指级六轴力/力矩传感器。这种传感器体积如硬币,可被集成到手持示教器的每一个指尖,直接感知与外部环境的接触力以及抓取物体时的内部握力。

相比传统昂贵且笨重的腕部力传感器,这种设计不仅成本大幅降低(单个传感器BOM成本约10美元),还避免了腕部传感器因长臂杠杆效应带来的延迟与信号干扰,测量更直接、精准。此外,该传感器设计抗冲击且易于替换,非常适合大规模、野外的数据采集场景。

多模态数据同步

在进行示教操作时,UMI-FT平台能够同步采集一套完整的多模态数据,包括RGB视觉信息、Depth深度信息、手柄的六维位姿,以及最重要的——来自双指的六维力/力矩数据。

这种全息式的数据记录,完整还原了人类在执行任务时的所有关键信息,从“看到什么”、“动作轨迹”到“用了多大力”,为机器人学习提供了前所未有的丰富素材,使其能够真正模仿人类操作中的力学细节。

可学习的顺应性

为充分利用采集到的力信息,研究者提出了力感知增强的ACP(Adaptive Compliance Policy)学习框架。该框架让机器人在学习时,不仅要预测下一步的位姿目标,还要同时预测该动作下的刚度矩阵和所需的抓取力。

这相当于让机器人学会了“可学习的顺应性”,即根据任务需求主动调整自身的“软硬”程度。这套力信号可以直接接入标准的阻抗/导纳控制器,无需为特定机器人定制专用硬件,具备良好的通用性。

复杂任务验证

为验证UMI-FT的有效性,研究团队在多个高接触、力敏感的复杂任务上进行了测试,包括需要均匀施压的白板擦拭、需要精准控制插入力的灯泡安装,以及需要特定穿刺力的黄瓜串签等。

实验结果表明,通过UMI-FT示教的机器人,能够成功完成这些涉及推、压、插、旋转等多种操作模式的任务,证明了其在真实世界复杂操作中的巨大潜力。

UMI-FT的出现,为机器人的精细操作普及化扫清了关键的硬件与数据障碍。它证明了低成本、可扩展的力感知是完全可行的,预示着未来将有更多机器人能够胜任需要“巧劲”的复杂任务,真正走进生产与生活。

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