移動機械臂在室內或者家庭環境有哪些應用場合？會有哪些設計需求？技術發展趨勢怎樣？

01-12

移動機械臂從八十年代已經有樣機平台，IROS/ICRA近幾年的研討會上都對移動機械臂進行了討論，各大公司也都有推出移動機械臂的產品。基於移動機械臂，大致可以分為autonomous system，navigation，perception，manipulation，HRI幾個方向。比如說，對於一款家用的移動機械臂，它在機械設計和功能設計方面，都會有哪些需求呢？又會有哪些應用的場合呢？

研究了三年的移動機械臂，最近畢業論文提交，坐等答辯。回想起來真心不易。

看到了這個問題，覺得還是有必要回答一下，發表一下個人的見解，希望對看到這個問題的人有用。先簡單介紹一下我做過的一些工作，本人機械工程本科，研一的時候基本上在熟悉機器人理論知識，於此同時在搭建自己的移動機械臂研究平台。其中機械臂採用UR5，移動平台採用實驗室師兄設計的一款麥克納姆輪式全方位移動平台（之後有設計一台新的，目的是想改進，但是結果不如人意），感測器有Xtion pro RGB-D攝像頭，激光雷達，里程計等。為了給老闆省錢，我還設計了一款欠驅動的機器人爪手。之後就是學習如何控制這些機器人組件，我利用ROS來控制和管理機器人組件，像UR機械臂、激光雷達以及Xtion pro等這些成熟的機器人產品一般都會提供ROS驅動包，因此節省了非常多的精力。當然自己做的硬體還是需要自己寫ROS驅動程序的，比如移動底座和機器人手爪。ROS對於研究來說好處大大的，因為有好多開源代碼，因此有新的想法時，你只需要對核心想法編程實現，而其他的都採用開源代碼即可快速驗證想法。本人畢業論文的主要研究內容是移動機械臂的協調及跟蹤控制，最終需要實現的目標是不管移動底座如何運動（當然是在一定範圍內移動），都不會影響到機械臂末端的運動（由於移動底座狀態估計的誤差以及研究平台的一些缺陷，現在能做到不管移動底座怎麼運動，機械臂末端的跟蹤精度在0.02m以內。這個結果雖然和國際上的結果相差不大，但總體來說還有很大的提升空間，對於你們是個機會哦，要不要跳到這個坑裡來解決一些呀~可以諮詢我的哦）。

-----------------------------------------好了，分割線終於來了----------------------------------------------

對於第一個問題，移動機械臂在室內或者家庭環境有哪些應用場合？

對於移動機械臂來說，最終極的理想就是像人一樣，一個靈活的移動平台＋兩條冗餘自由度機械臂＋一雙靈巧的雙手。所有你問我移動機械臂的應用場合，你去看看科幻片就好。哼哼～不過這是一個抖機靈的回答。

以目前移動機械臂的水平，根本沒有辦法實際應用！！！（不包括導軌式的移動機械臂）

以代表高水準的移動機械臂作為例子，Honda Asimo The Honda Worldwide ASIMO Site 為例，還只能做一些非常基本的任務，而且非常慢，可以去搜索相應的視頻感受一下。另外一個德國的移動機械臂Cosero，視頻奉上（https://www.youtube.com/watch?v=nG0mJiODrYw ），打不開的面壁思過。Cosero是我最近才知道的，2011年的視頻，看到這個視頻的時候被驚艷到了。不過我覺得離實用化還有一段距離。當然還有斯坦福Khatib教授的移動機械臂羅密歐與朱麗葉值得對移動機械臂感興趣的童鞋好好調研調研（不知道Khatib的機器人專業研究生是不合格的，哈哈哈~言重言重）。

限制實際應用的原因我總結有幾點：

機械硬體+控制演算法：對於家庭環境下的移動機械臂，當然安全是最重要的，傳統的機械臂都是關在籠子里工作的！目的就是防止機械臂在運動過程中碰到人，機械臂可是鐵疙瘩，由電機驅動，那力氣比你大了去了，沒有碰撞檢測演算法的機器人撞到你它根本不可能知道。最近像UR公司KUKA公司以及Rethink公司等都推出了協作機械臂，撞到人的話，能自己停下來。要做出協作機械臂，關節力矩的反饋是非常有必要的，關節的力矩反饋需要機械臂硬體+演算法來解決，可不是說：「嘿，機器人，告訴我你關節力矩」，它就可以告訴你，因為它是鐵疙瘩啊，你需要什麼你得自己來設計實現。拆過UR，猜測其關節力矩反饋的實現方式是電機端編碼器+關節段編碼器數據+某種數據融合演算法得到（不知UR有沒有力矩感測器）。這對於國內最大的機器人公司新松，目前其7自由度的協作機械臂雖然有發布，但還沒有推廣開來，不知道其機械臂關節的力矩反饋做得怎麼樣。UR和Rethink讀出來的力矩值非常不符合...嗯直覺（原諒我用一個非常主觀的說法，給自己留條後路），KUKA的就不知道了，所以這裡面還有非常多的問題需要解決。而且需要搞機械的與搞電子的與搞演算法的一起協作才能完成。這就基本上只能交給企業來做這件事了，對於高校，很難做好。

移動底座的設計也有非常多的坑，我只說採用的麥克納姆輪的平台，由於三點確定一個平面，而麥克納姆輪平台的正常工作是需要四個輪子同時接觸地面，因此對於麥克納姆輪平台，車輪的彈簧懸架系統是必要的。彈簧懸架系統解決了四個輪子同時著地的問題，但是對於移動機械臂來說就是毀滅性打擊，機械臂運動時，整個移動機械臂會晃動地厲害，彈簧對於移動機械臂來說是大大滴壞。當然有非常優秀的懸架方案，這款移動平台沒有用彈簧解決了四輪同時著地的問題（OMNI-Directional RMP | Stanley Innovation），但是其本質上變成了三點支撐方式，在上面裝個機械臂有可能傾覆。

環境感知：移動機械臂對於環境感知的要求非常之高，因為它是需要到處跑的，就憑激光雷達和幾個RGB-D感測器的數據是不能完全建立起機器人對於周圍環境的認知的，因此非常容易撞到周圍的物體。就算假設感測器足夠多，計算機處理能力足夠強大，目前的演算法也沒有方法實時地處理這些信息。這方面由於沒有實際做過，就只談一下體會了。

移動平台執行不精確+狀態估計誤差：好了，你可能會說，作為研究，機械臂安全問題可以先不考慮，環境感知複雜可以改造環境進行解決。但是，移動平台執行不精確以及移動平台的狀態估計誤差是逃不掉的。機器人末端的執行精度依靠的是各個關節精準的執行。傳統的固定機械臂，通過伺服電機以及高精度編碼器的反饋可以實現微米級別的精度（具體值未考），但是現在機械臂裝在了移動平台上，而移動平台的執行精度能保證在厘米級別就謝天謝地了（這個是因為輪子打滑等等隨機因素造成的，並不能通過選高精度電機解決），所有就只能依賴於反饋精度的提升（意思就是我雖然走不準，但是我至少知道我走了多少），但是現在反饋精度也就cm級別（里程計與激光雷達定位數據融合定位），所以移動底座的狀態估計誤差將直接反映在機械臂末端的執行精度。當然對於家用移動機械臂，可以通過視覺伺服方式跟蹤目標物體來解決移動底座執行不準確的問題（當然這也是一個甩鍋的好借口，在每周例會上你都可以跟老闆說，只要做目標物體定位的同學能精確對目標進行定位，對於移動機械臂的抓取問題是很好解決的，移動底座的精度根本不需要考慮。目標定位同學OS：F*ck，老闆OS：盡耍滑頭，畢業的時候有你好看。）。敲黑板。移動底座執行精度的提升以及狀態估計誤差的降低對於移動機械臂至關重要。移動機械臂的大多數難題都是因為移動底座造成的，導軌式的移動機械臂沒有那麼多問題就是因為其能精確執行並且可以準確反饋。（移動底座內心OS：都怪我咯，你把我去掉啊去掉啊！！！）

對於有哪些設計需求以及技術發展趨勢，自行在我上面的回答里尋找吧。存在問題就要解決問題，就可以是一個研究方向，研究的人多了就成為趨勢了。嘿嘿，回答有點亂。

=====應評論區要求，移動機械臂平台照片在此

以及模擬平台：

另外可以去我github，有gazebo模擬的源代碼daveying/mobile_manipulator_sim，覺得好用的，幫忙點個星星就好。我主頁照片就是模擬環境的整體圖片（我是個愛好科研的人，所以主頁照片都是移動機械臂）。

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1移動機械臂這個產品個人認為目前各機械臂廠商都在考慮如何應用在工業領域，因為量大，而且環境可控。民用方向的話這個產品離實際實用距離還很遠很遠，原因：

a. 安全問題，分臂/底盤兩部分討論：機械臂自身做安全防護難度比較大，只是單純靠力反饋是不靠譜的（因為有力反饋的時候臂實際上已經撞到東西了）；機械臂的移動底盤做安全防護目前的思路大多也只是小範圍的軟防護（2D安全激光或短距離的紅外/超聲），很難做到三維空間全防護；

b. 導航定位問題，也分兩部分：臂自身一定要加識別、校正，因為底盤的定位精度不可能做到很準確，誤差肯定能達到厘米級；底盤的導航如果是應用在家庭環境的話基本只能用環境感知的導航（激光、視覺），都對環境敏感。

c. 柔性/實用性問題，也分兩部分：機械臂的柔性太差了，能抓取的東西種類太過局限了，不可能做到像人手一樣靈活，這大大限制了應用範圍，另外perception也是個很大的問題，怎麼讓臂識別它要抓的東西？移動底盤也存在柔性差的問題，在室內環境一定需要靈活的底盤，比較靈活的底盤現在主要靠差速或麥克納姆輪驅動，輪系底盤很難解決上下台階、坡的問題。

d. 智能化問題：民用產品一定要做到簡單、傻瓜，理想中的家用機器人是可以和人類對話，幫人類解決一些問題的，但目前的AI水平還是太低了（即便是SIRI這樣的手機助手功能依然很有限），這就會導致機器人只能相對機械的執行較為固定的任務，一定也不「智能」。

綜上，目前移動機械臂很難應用與家庭環境中，比較理想的應用環境還是工業場合內，使用在生產節拍較慢的地方（就是裝一個機械臂太浪費，不裝由很麻煩的地方，這就可以使用一個可移動機械臂同時兼顧多個工位）。

那年我參加機械設計比賽的時候，主題是家用機械，我們一般青年做個什麼自動垃圾桶，自動擦洗桌，自動魚缸清洗機器人，家用飛行模擬器，機械俄羅斯方塊這種玩意??

然而，有個學校的人推出來一部機械手，媽的這個會自己切菜做菜，這個機器人還會切雕花??比較之下，好的學校經費都要多很多，大家好好念書考上好的大學??

先把工業的量做起來成本降下來再說吧

基於計算機視覺的語義SLAM的自主導航