A low-cost and lightweight 6 DoF bimanual arm for dynamic and contact-rich manipulation

📄 arXiv: 2502.16908v2 📥 PDF

作者: Jaehyung Kim, Jiho Kim, Dongryung Lee, Yujin Jang, Beomjoon Kim

分类: cs.RO

发布日期: 2025-02-24 (更新: 2025-05-26)

💡 一句话要点

ARMADA：一款低成本轻量化6自由度双臂机器人，用于动态和富接触操作

🎯 匹配领域: 支柱一：机器人控制 (Robot Control) 支柱二：RL算法与架构 (RL & Architecture)

关键词: 双臂机器人 动态操作 强化学习 低成本机器人 开源机器人

📋 核心要点

  1. 现有机器人硬件限制了动态操作，如高惯性、低柔顺性和对昂贵力矩传感器的依赖。
  2. ARMADA采用低惯性执行器、轻量化设计和3D打印部件，降低成本并提高速度和灵活性。
  3. ARMADA在动态操作任务（如抓取、锤击、投掷）和强化学习任务中表现出良好的性能。

📝 摘要（中文）

本文介绍了一种名为ARMADA（Affordable Robot for Manipulation and Dynamic Actions）的6自由度双臂机器人，专为动态操作研究而设计。现有机器人通常存在惯性高、柔顺性有限以及依赖昂贵力矩传感器等问题，限制了其在打击、抓取或锤击等动态和富接触操作中的应用。ARMADA结合了低惯性、可反向驱动的执行器和轻量化设计，采用易于获得的组件和3D打印连接件，方便研究实验室组装。整个系统（包括双臂）的建造成本仅为6100美元。每个手臂的速度高达6.16米/秒，几乎是大多数协作机器人的两倍，有效载荷为2.5公斤。实验证明，ARMADA可以在真实环境中执行抓取、锤击和双手投掷等动态操作。此外，通过在模拟环境中训练非抓取操作策略并零样本迁移到真实世界，以及人类运动跟随进行动态双手物体投掷，验证了其在强化学习方面的有效性。ARMADA完全开源，提供详细的组装说明、CAD模型、URDF、仿真和学习代码。

🔬 方法详解

问题定义：现有机器人难以胜任动态和富接触操作，主要痛点在于高惯性设计、有限的柔顺性以及对昂贵力矩传感器的依赖。这些限制使得机器人难以快速、精确地执行打击、抓取、锤击等任务，同时也增加了控制的复杂性。

核心思路：ARMADA的核心思路是通过低成本、轻量化的硬件设计，结合可反向驱动的执行器，实现高速度和高灵活性的动态操作能力。这种设计降低了系统的惯性，提高了响应速度，并允许机器人更好地适应外部接触力。

技术框架：ARMADA是一个6自由度双臂机器人系统。每个手臂采用模块化设计，使用低成本的电机和3D打印的连接件。该系统提供完整的开源资源，包括CAD模型、URDF文件、仿真环境和学习代码。控制系统基于ROS，可以方便地集成各种控制算法和感知模块。

关键创新：ARMADA的关键创新在于其低成本和高性能的平衡。通过巧妙的硬件设计和材料选择，实现了与现有协作机器人相当的性能，但成本大大降低。此外，ARMADA的可反向驱动特性使其更安全，更适合与人类协作。

关键设计：ARMADA的关键设计包括：1) 使用低惯性、可反向驱动的电机，以提高响应速度和安全性；2) 采用轻量化的3D打印连接件，降低整体重量；3) 优化手臂的几何结构，以实现更大的工作空间和更高的灵活性；4) 提供完整的开源资源，方便研究人员进行二次开发和改进。

📊 实验亮点

ARMADA的建造成本仅为6100美元，而每个手臂的速度高达6.16米/秒，几乎是大多数协作机器人的两倍，有效载荷为2.5公斤。实验证明，ARMADA可以在真实环境中执行抓取、锤击和双手投掷等动态操作。此外，通过强化学习，ARMADA成功地将模拟环境中训练的非抓取操作策略零样本迁移到真实世界。

🎯 应用场景

ARMADA适用于各种动态操作任务，如工业装配、物流分拣、家庭服务等。其低成本和高性能的特点使其能够应用于对成本敏感的场景。此外，ARMADA的开源特性也使其成为机器人研究和教育的理想平台，可以促进动态操作和强化学习等领域的发展。

📄 摘要（原文）

Dynamic and contact-rich object manipulation, such as striking, snatching, or hammering, remains challenging for robotic systems due to hardware limitations. Most existing robots are constrained by high-inertia design, limited compliance, and reliance on expensive torque sensors. To address this, we introduce ARMADA (Affordable Robot for Manipulation and Dynamic Actions), a 6 degrees-of-freedom bimanual robot designed for dynamic manipulation research. ARMADA combines low-inertia, back-drivable actuators with a lightweight design, using readily available components and 3D-printed links for ease of assembly in research labs. The entire system, including both arms, is built for just $6,100. Each arm achieves speeds up to 6.16m/s, almost twice that of most collaborative robots, with a comparable payload of 2.5kg. We demonstrate ARMADA can perform dynamic manipulation like snatching, hammering, and bimanual throwing in real-world environments. We also showcase its effectiveness in reinforcement learning (RL) by training a non-prehensile manipulation policy in simulation and transferring it zero-shot to the real world, as well as human motion shadowing for dynamic bimanual object throwing. ARMADA is fully open-sourced with detailed assembly instructions, CAD models, URDFs, simulation, and learning codes. We highly recommend viewing the supplementary video at https://sites.google.com/view/im2-humanoid-arm.