在北京理工大學的實驗室內(nèi),一架搭載機械臂的無人機正根據(jù)實時捕捉的手部動作數(shù)據(jù),精準抓取并移動實驗臺上的微型部件,整個過程流暢自然,誤差不超過一根發(fā)絲的直徑。
當機器人科研從預設程序的機械重復邁向自主學習的智能交互新階段,如何讓機器人理解并模仿人類精細、復雜的手部動作,成為具身智能與通用機器人發(fā)展的重要課題。
在眾多機器人研究團隊的實驗室里,你經(jīng)常會看到一套由多臺紅外高速相機組成的精密系統(tǒng),這正是 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)。它通過亞毫米級精度的定位能力,實時捕捉手部關節(jié)的細微運動,將物理世界的動作轉化為數(shù)字世界的精確坐標。
一、科研變革,從宏觀到微觀的動作捕捉需求
機器人技術正在經(jīng)歷從環(huán)境感知到精細操作的深刻變革。在這一進程中,手部動作捕捉不再是影視特效的專屬工具,而成為機器人運動規(guī)劃、控制優(yōu)化和算法驗證不可或缺的“地面真值”。
尤其是在具身智能和通用機器人成為前沿趨勢的今天,機器人需要學會像人類一樣操作工具、完成精細裝配甚至進行藝術創(chuàng)作。
這些任務要求機器人能夠理解和重現(xiàn)人手在執(zhí)行抓握、捏取、操作工具等復雜精細操作時的全關節(jié)運動軌跡,包括腕關節(jié)、掌指關節(jié)及各指間關節(jié)在三維空間中的精確位置和姿態(tài)。
二、技術內(nèi)核,NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)的精密設計
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)的核心技術體現(xiàn)在其 “眼睛”與“大腦”的協(xié)同設計上。系統(tǒng)的“眼睛”是由Mars系列高速紅外相機組成的陣列,最高分辨率達1200萬像素,幀率可達340Hz。
不同于傳統(tǒng)僅依靠時間同步的方案,NOKOV系統(tǒng)采用了時間與空間雙重同步機制,相機間時間同步精度達1微秒,空間校準精度達0.1毫米,確保了多相機視角下數(shù)據(jù)的高度一致性。
系統(tǒng)搭載的亞毫米級精度算法,即使在部分標記點被遮擋或光線條件變化的情況下,仍能保持定位精度。其多源數(shù)據(jù)融合框架可整合IMU、力傳感器等其他傳感器數(shù)據(jù),為機器人研究提供更全面的狀態(tài)信息。
表:NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)核心性能參數(shù)
三、前沿實踐,從仿生研究到靈巧操作的具體案例
浙江工業(yè)大學研究團隊在《Biomimetic Intelligence and Robotics》發(fā)表研究,針對傳統(tǒng)機械手依賴預定義步態(tài)、難以適應動態(tài)環(huán)境的問題,提出了基于仿生指尖接觸事件的連續(xù)自適應步態(tài)控制策略。研究通過 NOKOV 度量動作捕捉系統(tǒng)高精度采集人手操作球體時的三維運動數(shù)據(jù),分析并提取出四個關鍵運動原語,以此構建出能夠依據(jù)實時接觸力反饋動態(tài)切換步態(tài)的控制算法。實驗驗證表明,該方法使三指機械手在應對紙杯抓取等復雜任務及外部干擾時,表現(xiàn)出高度的穩(wěn)定性與操作魯棒性,成功實現(xiàn)了對物體的連續(xù)、自適應靈巧操縱。
在機器人靈巧操作領域,斯坦福大學的研究人員利用NOKOV動作捕捉系統(tǒng),采集了手部精細訓練數(shù)據(jù),成功實現(xiàn)了虛擬吉他手以自然且真實的動作,準確演奏從未練習過的樂曲。
四、生態(tài)構建,從數(shù)據(jù)采集到系統(tǒng)集成的全面支持
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)的優(yōu)勢不僅體現(xiàn)在硬件性能上,更在于其構建的完整技術生態(tài)。該系統(tǒng)提供了多層級的數(shù)據(jù)接口:基礎級的VRPN數(shù)據(jù)流適合快速集成,中級的SDK支持深度定制,高級的API則為復雜研究場景提供靈活控制。
這種開放的設計理念,使系統(tǒng)能夠無縫對接ROS、MATLAB、LabVIEW等主流機器人開發(fā)平臺,形成從數(shù)據(jù)采集、處理到算法驗證的完整工作流。
在具體應用中,研究人員可以將捕捉到的人手運動數(shù)據(jù)轉化為機器人可學習的示范,訓練強化學習模型。
系統(tǒng)輸出的六自由度位姿信息及骨骼數(shù)據(jù),可以實時傳輸給機器人的控制算法,形成高精度閉環(huán)控制,加速機器人靈巧手在復雜操作任務(如非結構化物體抓取、精細裝配)上的學習和表現(xiàn)。
五、未來趨勢,動作捕捉與機器人技術的共同演進
隨著機器人科研邁向深水區(qū),動作捕捉技術正朝著更高精度、更強適應性、更低使用門檻的方向發(fā)展。無標記點動作捕捉、多模態(tài)數(shù)據(jù)同步采集、實時數(shù)據(jù)處理與分析將成為技術演進的重點方向。
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)已推出Astra無標記點動作捕捉系統(tǒng),無需在目標身上粘貼反光標志點,減少人形機器人設備安裝步驟,提升研發(fā)效率。這類創(chuàng)新技術將進一步降低機器人科研的門檻。
在人形機器人產(chǎn)業(yè)化進程中,大規(guī)?！皵?shù)據(jù)工廠”可能成為產(chǎn)業(yè)核心基礎設施。這些設施集中配備大量動捕設備,按照標準化流程,批量“教授”人形機器人各種動作技能。
在南開大學人工智能學院的深部腦刺激手術臨床試驗中,一套無接觸式評估系統(tǒng)正基于NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)驗證的高精度數(shù)據(jù),以亞毫米級精度實時監(jiān)測帕金森患者的手部運動,輔助臨床決策。
當浙江大學的研究人員使用同一系統(tǒng)優(yōu)化移動機器人集群算法,當北京航空航天大學的跨介質(zhì)機器人憑借其提供的位置信息完成精準的空中水下轉換,這套源自中國的精密光學測量系統(tǒng)正在全球機器人科研地圖上刻下自己的坐標。
