[论文解读] PAPRAS: Plug-And-Play Robotic Arm System

Joohyung Kim, Dhruv C Mathur+2 more|arXiv (Cornell University)|Feb 19, 2023

Advanced Manufacturing and Logistics Optimization被引用 13

一句话总结

PAPRAS 提供一个轻量、模块化、即插即用的机械臂系统，配备对接安装座和开源软件，用于低延迟的多智能体控制，在厨房、冲泡咖啡、移动操作和穿戴辅助任务中有所演示。

ABSTRACT

This paper presents a novel robotic arm system, named PAPRAS (Plug-And-Play Robotic Arm System). PAPRAS consists of a portable robotic arm(s), docking mount(s), and software architecture including a control system. By analyzing the target task spaces at home, the dimensions and configuration of PAPRAS are determined. PAPRAS's arm is light (less than 6kg) with an optimized 3D-printed structure, and it has a high payload (3kg) as a human-arm-sized manipulator. A locking mechanism is embedded in the structure for better portability and the 3D-printed docking mount can be installed easily. PAPRAS's software architecture is developed on an open-source framework and optimized for low-latency multiagent-based distributed manipulator control. A process to create new demonstrations is presented to show PAPRAS's ease of use and efficiency. In the paper, simulations and hardware experiments are presented in various demonstrations, including sink-to-dishwasher manipulation, coffee making, mobile manipulation on a quadruped, and suit-up demo to validate the hardware and software design.

研究动机与目标

• 设计一款便携、轻量、承载力高的机械臂，适用于家庭/人机协作。
• 开发一个模块化对接系统，实现即插即用部署和易于携带性。
• 创建一个面向低延迟、多智能体分布式控制的开源软件架构。
• 通过仿真与真实场景演示（厨房任务、冲泡咖啡、移动操作和辅助穿戴）来验证硬件与软件。

提出的方法

• 修改 OpenMANIPULATOR-P，打造一个 6-DoF 的机械臂，提供两种变体（短臂和长臂），以优化厨房桌面和水槽周围的任务空间。
• 实现带公/母对接部件和锁定的对接机制，以实现即插即用安装座和可携带性。
• 采用轻量化、3D 打印连杆和拓扑优化，在保持刚度和承载能力的同时降低重量。
• 开发基于开源 ROS Noetic 的软件架构，包含全局参数服务器、感知、规划、控制和硬件接口。
• 使用低延迟的分布式控制框架，使多臂可由单一主机或多主机进行控制。
• 整合感知（DOPE、OpenPose）、规划（MoveIt、TRAC-IK、OMPL）和仿真（Gazebo），以实现自主操作和任务演示。

Figure 1 : PAPRAS mounted in various environments using the plug-and-play feature and executing manipulation tasks.

实验结果

研究问题

• RQ1 如何设计一个便携、即插即用的机械臂系统，使其在家庭环境中安全、有效地工作？
• RQ2 对接安装座与轻量化的 3D 打印连杆能否在确保便携性的同时维持足够的承载能力？
• RQ3 整合的软件栈是否能够在分布式计算单元之间实现低延迟的多智能体协作？
• RQ4 PAPRAS 能否执行多种演示（从水槽到洗碗机、冲泡咖啡、四足移动操控、穿戴辅助）以验证硬件和软件集成？

主要发现

• PAPRAS 臂重约 4.77–4.89 kg，载荷为 2.5–3 kg，取决于版本。
• 基于 6-DoF OpenMANIPULATOR-P 的设计，臂展 800–900 mm，满足厨房与清洗任务的任务空间要求。
• 拓扑优化和 3D 打印在保持刚度的同时降低连杆重量（连杆 2：644.0 g 到 231.9 g；连杆 3：496.0 g 到 211.6 g；连杆 5：114.0 g 到 35.7 g）。
• 对接安装座使臂的锁定/解锁变得容易，促进了即插即用的部署和便携性。
• 基于 ROS Noetic 的软件栈支持低延迟多智能体控制、感知、规划和仿真，使从水槽到洗碗机、冲泡咖啡和穿戴任务的演示成为可能。
• 硬件实验在厨房环境中验证了载荷处理和运动规划。

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