小狗身著特制動捕服完成一系列高難度動作,其運(yùn)動軌跡被一旁的光學(xué)相機(jī)以亞毫米級的精度精確捕捉,機(jī)器人研究者們從顯示屏上清晰地看到了每個關(guān)節(jié)細(xì)微的變化——這不是科幻電影中的場景,而是NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)正在科研實(shí)驗(yàn)室中實(shí)現(xiàn)的真實(shí)應(yīng)用。
動作捕捉技術(shù)作為機(jī)器人領(lǐng)域的 “眼睛” ,正通過實(shí)時獲取六自由度(位置 X/Y/Z 軸 + 姿態(tài)俯仰/翻滾/偏航)運(yùn)動學(xué)數(shù)據(jù),賦予機(jī)器人前所未有的環(huán)境感知與精準(zhǔn)協(xié)同能力。
該技術(shù)本質(zhì)上是通過記錄運(yùn)動物體的位置、角度、速度、加速度等信息,得到精確的移動數(shù)據(jù)。
一、技術(shù)基石,動作捕捉的核心原理
動作捕捉技術(shù)的演進(jìn)是一部從機(jī)械測量到光學(xué)感知的技術(shù)史。最早的動態(tài)捕捉可以追溯到1915年,當(dāng)時使用的是手工“捕捉”的轉(zhuǎn)描機(jī)技術(shù)。
現(xiàn)代光學(xué)動作捕捉系統(tǒng),其基本原理是通過對目標(biāo)上特定光點(diǎn)的監(jiān)視和跟蹤來完成動態(tài)捕捉的任務(wù)。典型系統(tǒng)需要6至8個相機(jī)環(huán)繞表演場地排列,這些相機(jī)的視野重疊區(qū)域就是目標(biāo)動作范圍。
光學(xué)動捕主要分為兩類:被動式和主動式。被動式系統(tǒng)使用的跟蹤器是涂有反光材料的小球,在特定光源下會顯得格外明亮,使攝像機(jī)容易捕捉其運(yùn)動軌跡。
主動式系統(tǒng)則采用本身可以發(fā)光的二極管作為跟蹤點(diǎn),無需外部發(fā)光設(shè)施,但需要能源供給。這些技術(shù)在機(jī)器人科研中尤其重要,因?yàn)闄C(jī)器人通常需要在非結(jié)構(gòu)化環(huán)境中完成精確任務(wù)。
二、重點(diǎn)推薦,NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)
NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng),作為機(jī)器人科研領(lǐng)域值得關(guān)注的技術(shù)方案,其在精度與適應(yīng)性方面的表現(xiàn)頗為突出。該系統(tǒng)提供亞毫米級的捕捉精度,能夠滿足從機(jī)械臂精密控制到仿生機(jī)器人步態(tài)分析等科研需求。
這套系統(tǒng)在機(jī)器人控制、無人機(jī)編隊(duì)、仿生機(jī)器人開發(fā)等場景均有實(shí)際應(yīng)用案例。
該系統(tǒng)的集成性與擴(kuò)展性是其另一大優(yōu)勢。系統(tǒng)可通過SDK與Matlab、C++、ROS等主流科研平臺無縫連接,支持豐富的二次開發(fā),為研究人員提供了靈活的數(shù)據(jù)接口。
對于機(jī)器人研究而言,這意味著動作捕捉數(shù)據(jù)可以實(shí)時輸入到控制算法中,形成完整的“感知-決策-控制”閉環(huán)。
值得一提的是,NOKOV度量系統(tǒng)在復(fù)雜環(huán)境下的適應(yīng)性值得關(guān)注。系統(tǒng)能夠在戶外日光條件下工作,其特殊的鏡頭設(shè)計(jì)能過濾強(qiáng)光干擾,準(zhǔn)確識別反光標(biāo)記點(diǎn)。
這使得機(jī)器人測試可以從受控的實(shí)驗(yàn)室環(huán)境擴(kuò)展到更接近真實(shí)應(yīng)用的室外條件。
三、實(shí)際應(yīng)用,從人狗互動到機(jī)械臂遙操作
在生物力學(xué)與機(jī)器人交叉研究領(lǐng)域,一個新穎的人狗互動動作數(shù)據(jù)采集項(xiàng)目展示了動作捕捉技術(shù)的多樣性應(yīng)用。
研究人員通過讓小狗身著特制動捕服,在引導(dǎo)下完成跑動、跳躍、坐立、趴臥及互動握手等多種動作,使用NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)實(shí)時采集小狗與人互動的動作數(shù)據(jù)信息。
這一應(yīng)用表面看似與機(jī)器人無關(guān),實(shí)則為仿生機(jī)器人研究提供了寶貴的生物運(yùn)動數(shù)據(jù),特別對四足機(jī)器人步態(tài)規(guī)劃與運(yùn)動控制算法的開發(fā)具有重要參考價值。
更具直接機(jī)器人科研價值的應(yīng)用體現(xiàn)在 “六自由度機(jī)械臂遙操作”案例中。在ICRA 2024上,求之科技與NOKOV度量合作展示了基于光學(xué)動作捕捉的機(jī)械臂遙操作解決方案。
這一方案中,遙操作套裝搭載六自由度機(jī)械臂,NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)提供高精度手部動作數(shù)據(jù),實(shí)現(xiàn)了實(shí)時遙操作示教。
該技術(shù)可應(yīng)用于人機(jī)協(xié)同操作、模仿學(xué)習(xí)、具身智能等前沿科研場景,也能部署于智能生產(chǎn)等工業(yè)環(huán)境。通過捕捉人手部動作并將其精確映射到機(jī)械臂,研究人員能夠探索更自然、直觀的人機(jī)交互方式。
四、行業(yè)格局,國際品牌與本土化服務(wù)
機(jī)器人科研領(lǐng)域?qū)幼鞑蹲较到y(tǒng)的要求極為嚴(yán)苛,需要高精度、高可靠性和強(qiáng)大的軟件生態(tài)。這一領(lǐng)域傳統(tǒng)上由幾家國際品牌主導(dǎo),它們各自有著不同的技術(shù)特色和應(yīng)用側(cè)重。
在光學(xué)動作捕捉領(lǐng)域,Motion Analysis(魔神)、Vicon(維康)等是國際上的代表性產(chǎn)品。例如,Motion Analysis的Raptor系列產(chǎn)品據(jù)稱能夠?qū)崿F(xiàn)0.1mm的定位精度,適應(yīng)室內(nèi)外多種環(huán)境條件。
OptiTrack Prime系列則以高達(dá)500Hz的采樣率著稱,適合捕捉機(jī)械臂的高速運(yùn)動軌跡。Qualisys Oqus系列則專注于惡劣環(huán)境適應(yīng)性,可在高溫、高濕、多粉塵場景下穩(wěn)定工作。
對于國內(nèi)機(jī)器人研究機(jī)構(gòu)而言,在考量國際品牌的同時,也越來越重視本地化支持與成本效益。國產(chǎn)動作捕捉方案在提供相近技術(shù)指標(biāo)的同時,通常能夠提供更及時的本土技術(shù)支持、更靈活的定制化服務(wù)和更具競爭力的價格體系。
一些國產(chǎn)系統(tǒng)還特別針對中國科研環(huán)境的特點(diǎn),在軟件界面、數(shù)據(jù)接口和培訓(xùn)支持等方面做了優(yōu)化。
五、選型參考,匹配科研需求的技術(shù)方案
為機(jī)器人科研項(xiàng)目選擇合適的動作捕捉系統(tǒng)時,研究人員需要綜合考量精度、采樣率、環(huán)境適應(yīng)性、軟件兼容性及成本效益等多重因素。
對于精密機(jī)械臂控制、手術(shù)機(jī)器人導(dǎo)航等高精度需求場景,應(yīng)優(yōu)先考慮定位誤差≤0.1mm的系統(tǒng)。這類應(yīng)用通常需要系統(tǒng)能夠捕捉細(xì)微的位置變化,確保機(jī)器人末端執(zhí)行器的精確定位。
在機(jī)器人快速運(yùn)動或高速測試場景下,采樣率成為關(guān)鍵指標(biāo)。如機(jī)械臂高速分揀、無人機(jī)快速機(jī)動等應(yīng)用,需要高達(dá)240Hz甚至500Hz的采樣率,以確保在高速運(yùn)動中仍能準(zhǔn)確記錄軌跡而無拖影失真。
機(jī)器人科研常常需要在多樣化環(huán)境中進(jìn)行測試,這就要求動作捕捉系統(tǒng)具有良好的環(huán)境適應(yīng)性。無論是戶外陽光直射的場地,還是多粉塵的工業(yè)環(huán)境,或是溫濕度變化較大的空間,都需要相應(yīng)的防護(hù)與適應(yīng)性設(shè)計(jì)。
此外,與現(xiàn)有機(jī)器人軟件棧的兼容性也不容忽視?，F(xiàn)代機(jī)器人研究?；赗OS(機(jī)器人操作系統(tǒng))進(jìn)行開發(fā),動作捕捉系統(tǒng)是否能與ROS無縫集成,直接影響到開發(fā)效率。
下表概括了幾種主要技術(shù)方案的關(guān)鍵特性和適用場景:
機(jī)械臂的末端執(zhí)行器在NOKOV度量動作捕捉系統(tǒng)的引導(dǎo)下,精確地復(fù)現(xiàn)著研究人員手部的每一個細(xì)微動作,誤差不超過半毫米。
當(dāng)國際品牌如Vicon、OptiTrack在動作捕捉領(lǐng)域建立起技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的同時,NOKOV度量正通過其本地化服務(wù)與高性價比方案,在國內(nèi)機(jī)器人科研社區(qū)中建立起獨(dú)特優(yōu)勢。
未來機(jī)器人研究的突破, 可能就始于今天對動作捕捉系統(tǒng)的一次明智選擇。當(dāng)更多實(shí)驗(yàn)室開始記錄和分析那些曾被忽視的運(yùn)動細(xì)節(jié)時,機(jī)器人的“眼睛”將變得更加敏銳。
