Festo 仿生家族
——從飛狐到手臂

Festo 是一家領(lǐng)先的國(guó)際性自動(dòng)化技術(shù)供應(yīng)商，致力于研發(fā)智能化和便捷的解決方案，也是工業(yè)培訓(xùn)和教育項(xiàng)目的領(lǐng)先者。

多年來Festo 一直為工廠和流程自動(dòng)化提供動(dòng)力，并通過研究項(xiàng)目共同塑造未來生產(chǎn)系統(tǒng)。為此，研究項(xiàng)目深入鉆研機(jī)電一體化的最新開發(fā)、先進(jìn)仿真技術(shù)、微系統(tǒng)技術(shù)，以及工業(yè)4.0 智能組件。Festo 的創(chuàng)新管理為先進(jìn)理念、知識(shí)與技術(shù)向在市場(chǎng)中取得成功的產(chǎn)品的轉(zhuǎn)化創(chuàng)造必要的框架條件。

在工廠日常活動(dòng)中，自動(dòng)化技術(shù)承擔(dān)典型的任務(wù)，例如物料的抓取、運(yùn)動(dòng)和定位以及控制和調(diào)節(jié)工藝過程。自然界理所當(dāng)然、簡(jiǎn)單和節(jié)能地完成所有這些任務(wù)。什么還能比觀察自然現(xiàn)象和從中學(xué)習(xí)更方便呢？因此，F(xiàn)esto 已與著名高校和研究所、開發(fā)公司和私人發(fā)明人建立了一個(gè)聯(lián)合體：仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)。

BionicFlyingFox 運(yùn)用智能運(yùn)動(dòng)學(xué)的超輕型飛行物

為了研發(fā)BionicFlyingFox，F(xiàn)esto 仿生學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)的開發(fā)人員仔細(xì)研究了狐蝠這種生物，并以技術(shù)手段模擬了它獨(dú)特的飛行模式。通過集成機(jī)載電子板與一個(gè)外置運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的相互配合，超輕型飛行物能夠在特定空間內(nèi)進(jìn)行半自主飛行。

狐蝠（英文：flying fox）是蝙蝠的一種。蝙蝠是唯一可以主動(dòng)飛行的哺乳動(dòng)物。狐蝠的一個(gè)典型特征是它精細(xì)且富有彈性的翼膜，從延長(zhǎng)的前掌骨與指骨一直延伸至腳關(guān)節(jié)。在飛行時(shí)，狐蝠能用手指有針對(duì)性地控制翼膜的曲率，從而能夠以符合空氣動(dòng)力學(xué)的方式在空中靈活飛行。這樣一來，即使在慢速飛行時(shí)，它們也能獲得最大升力。

模擬自然樣本的靈活運(yùn)動(dòng)學(xué)

人造狐蝠兩翼展開寬度為228 厘米，體長(zhǎng)為87 厘米，整體僅重580 克。就如自然界的狐蝠一樣，人造狐蝠的翼動(dòng)力學(xué)也由手肘兩個(gè)關(guān)節(jié)組成，上面繃了一層有彈性的翼膜，翼膜從兩翼一直延伸至后肢。如此一來，人造狐蝠兩翼的面積相對(duì)較大，并能實(shí)現(xiàn)極小的翼負(fù)載。與自然界的狐蝠一樣，BionicFlyingFox 的所有關(guān)節(jié)點(diǎn)也都處于同一平面，以便它可以單獨(dú)控制機(jī)翼以及折疊雙翼。

專門研制的翼膜

該仿生模型的翼膜極薄、超輕、但卻十分強(qiáng)韌。它由兩片氣密薄膜和一塊氨綸織物組成，它們通過約45000 個(gè)焊接點(diǎn)緊密地焊接在一起。由于翼膜具有足夠的彈性，即使在收起雙翼時(shí)，它們也幾乎沒有褶皺。織物的蜂窩結(jié)構(gòu)防止翼膜上的小裂紋進(jìn)一步擴(kuò)大。因此，即使翼膜出現(xiàn)輕微損傷，BionicFlyingFox 自己仍能繼續(xù)飛行。

精巧的結(jié)構(gòu)：機(jī)身內(nèi)置的機(jī)載電子板與兩翼中的機(jī)械構(gòu)造相互配合

在特定空間內(nèi)進(jìn)行半自主飛行

為了能使BionicFlyingFox 在特定空間內(nèi)進(jìn)行半自主飛行，它需要與所謂的運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)通訊。運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)能夠持續(xù)檢測(cè)它的位置。同時(shí)系統(tǒng)還能規(guī)劃飛行軌跡，并提供必要的控制指令。人可以手動(dòng)控制飛行物的起飛與降落。在飛行中，自動(dòng)駕駛儀掌管飛行任務(wù)。

可移動(dòng)式照相系統(tǒng)進(jìn)行精確定位

運(yùn)動(dòng)追蹤系統(tǒng)的重要組成部分是兩臺(tái)紅外相機(jī)，它們被安裝在一個(gè)可搖擺可傾斜的云臺(tái)上。如此，相機(jī)便可以隨意轉(zhuǎn)動(dòng)或傾斜，以便能從地面開始追蹤BionicFlyingFox 的整個(gè)飛行過程。借助附著于兩翼與兩條后肢的四個(gè)特殊紅外標(biāo)記，相機(jī)能夠識(shí)別人造狐蝠的運(yùn)動(dòng)。

對(duì)理想飛行軌跡進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)

相機(jī)捕捉的圖像傳送至中央主機(jī)。中央主機(jī)評(píng)估數(shù)據(jù)，并像外部領(lǐng)航員一樣協(xié)調(diào)飛行。為此，中央主機(jī)上具有預(yù)編制的飛行路徑，能夠預(yù)先確定BionicFlyingFox 飛行時(shí)的軌跡。為了能以最佳方式按照規(guī)定路徑飛行，人造狐蝠可借助它的機(jī)載電子板與復(fù)雜的行為模式自行計(jì)算必要的機(jī)翼運(yùn)動(dòng)。

人造狐蝠從中央主機(jī)處獲得必要的控制算法，主機(jī)能對(duì)算法進(jìn)行機(jī)器學(xué)習(xí)，算法也能被不斷改進(jìn)。通過這種方式，BionicFlyingFox 可在飛行中優(yōu)化飛行行為，更精準(zhǔn)地沿著既定軌道繼續(xù)繞圈飛行。此外，通過后肢的運(yùn)動(dòng)與由此調(diào)節(jié)的機(jī)翼表面能夠?qū)︼w行進(jìn)行操控。

BionicSoftHand 氣動(dòng)機(jī)械手與人工智能

無(wú)論是抓、握還是旋轉(zhuǎn)、觸摸、敲擊或者按壓——日常生活中，我們都會(huì)用手完成這些各式各樣的動(dòng)作。人手是大自然真正的杰作——一種多么奇妙的工具。沒有什么比在協(xié)作式工作空間中裝入有仿生夾具、且可以通過人工智能學(xué)習(xí)來解決各種各樣抓握和轉(zhuǎn)動(dòng)任務(wù)的機(jī)器人更便捷的了。

強(qiáng)化學(xué)習(xí)：獎(jiǎng)勵(lì)原則

BionicSoftHand 使用強(qiáng)化學(xué)習(xí)法，即通過鞏固強(qiáng)化進(jìn)行學(xué)習(xí)。這意味著機(jī)械手將會(huì)習(xí)得一個(gè)目標(biāo)，而不是一個(gè)必須模仿的具體行為。這需要它通過反復(fù)嘗試（試錯(cuò)）實(shí)現(xiàn)。在所得反饋的基礎(chǔ)上——無(wú)論積極還是消極的反饋——它不斷優(yōu)化行動(dòng)，直到最終成功完成任務(wù)。

數(shù)字雙胞胎：現(xiàn)實(shí)機(jī)械手及其在模擬模型中的虛擬圖像

現(xiàn)實(shí)機(jī)械手的數(shù)字雙胞胎

具體來說，BionicSoftHand 應(yīng)該轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)十二面骰子，最終使預(yù)先指定的一面向上。借助在虛擬環(huán)境中借助深度相機(jī)數(shù)據(jù)與人工智能算法創(chuàng)建的數(shù)字雙胞胎，可以完成對(duì)必要行為策略的學(xué)習(xí)。

通過大規(guī)模并行學(xué)習(xí)快速傳授知識(shí)

數(shù)字模擬模型，尤其是在將模型數(shù)量增倍時(shí)，可大大加快訓(xùn)練速度。在大規(guī)模并行學(xué)習(xí)中，所習(xí)得的知識(shí)將共享給所有虛擬機(jī)械手，然后在新的知識(shí)水平基礎(chǔ)上繼續(xù)工作——一個(gè)錯(cuò)誤只犯一次。而成功的行動(dòng)會(huì)立即被所有模型采納。

模擬操控訓(xùn)練結(jié)束后，所習(xí)得的操控方法將被轉(zhuǎn)移到現(xiàn)實(shí)的BionicSoftHand中。通過虛擬環(huán)境中習(xí)得的行為策略，機(jī)械手可將骰子轉(zhuǎn)動(dòng)至所需的一面，將來還可實(shí)現(xiàn)對(duì)其他物體的定向操作。通過這種方式將已習(xí)得的知識(shí)模塊和新技能分享給其他機(jī)械手，實(shí)現(xiàn)全面信息覆蓋。巧妙功能集成：狹小空間中集成了眾多組件、技術(shù)與功能

氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)與3D 織物

與人類的手不同，BionicSoftHand沒有骨骼。它通過手指上的氣動(dòng)波紋管結(jié)構(gòu)控制動(dòng)作。當(dāng)氣室充滿空氣時(shí)，手指彎曲；氣室排空時(shí)，手指呈伸展?fàn)顟B(tài)。拇指和食指中還裝有旋轉(zhuǎn)模型，使這兩個(gè)手指可橫向移動(dòng)。通過這一設(shè)計(jì)，仿生機(jī)械手總共可實(shí)現(xiàn)12 個(gè)自由度。

手指上的波紋管被一個(gè)特殊的3D 紡織涂層包圍，該涂層由有彈性且高強(qiáng)度的線編織而成。紡織涂層用于確定該構(gòu)造擴(kuò)展的位置與發(fā)力點(diǎn)、以及擴(kuò)展受阻的位置。

壓電式比例閥實(shí)現(xiàn)精確調(diào)控

為了最大限度減低BionicSoftHand 軟管設(shè)計(jì)的復(fù)雜度，開發(fā)人員在手的正下方設(shè)計(jì)了一個(gè)小型數(shù)字化調(diào)控的閥島。如此可不必通過牽拉整個(gè)機(jī)械臂完成對(duì)手指的操控。因此，BionicSoftHand 的進(jìn)氣和排氣各通過一根軟管進(jìn)行，可以快速、輕松連接并投入運(yùn)行。使用的壓電式比例閥可精確控制手指運(yùn)動(dòng)。

人機(jī)協(xié)作潛力

BionicSoftHand 中靈活的氣動(dòng)運(yùn)動(dòng)學(xué)設(shè)計(jì)以及對(duì)彈性材料和輕型部件的運(yùn)用使其不同于電動(dòng)或電纜驅(qū)動(dòng)的機(jī)械手，也使其生產(chǎn)成本降低。由于采用模塊化設(shè)計(jì)，也可以更換使用三指或四指的夾具。

與 氣 動(dòng) 輕 型 機(jī) 器 人（ 如 BionicCobot 或BionicSoftArm）相結(jié)合，可實(shí)現(xiàn)直接且安全的人機(jī)協(xié)作。兩臺(tái)機(jī)器人均具有柔性，無(wú)需像傳統(tǒng)工廠機(jī)器人那樣與工人隔離。

因此，BionicSoftHand 專為應(yīng)用于未來工廠的協(xié)作式工作空間而設(shè)計(jì)。由于靈活的機(jī)械手可有力且靈敏地抓握，因此可以作為各類組裝工作的“第三只”輔助手臂或用作服務(wù)機(jī)器人。