400元遙操95%機(jī)械臂，上海交大推出開源項(xiàng)目U-Arm！

目前它已在XArm6、Dobot CR5、ARX R5等多種機(jī)械臂真機(jī)上進(jìn)行了遙操作的驗(yàn)證。

△從左往右分別為U-Arm遙操作XArm6、Dobot CR5、ARX R5

如何用更低的成本、更高的效率，去采集、復(fù)現(xiàn)和擴(kuò)展人類的操作數(shù)據(jù)？

遙操作是當(dāng)前階段的主流數(shù)據(jù)采集方案。

然而，完全同構(gòu)的遙操作系統(tǒng)往往花費(fèi)昂貴，例如ALOHA項(xiàng)目用兩主兩從完全同的機(jī)械臂進(jìn)行遙操作，整套系統(tǒng)花費(fèi)超過2萬(wàn)美金，而相對(duì)低成本的VR、手柄、GELLO框架又存在奇異點(diǎn)、適配難等問題。

近日，來自上海交通大學(xué)的團(tuán)隊(duì)推出了一項(xiàng)開源解決方案——LeRobot-Anything-U-Arm。

這是一套僅需400元即可搭建、適配95%主流機(jī)械臂的通用遙操作系統(tǒng)。

3種結(jié)構(gòu)覆蓋市面主流機(jī)械臂類型

傳統(tǒng)的主從遙操作系統(tǒng)通常要求主從臂嚴(yán)格同構(gòu)，或以一個(gè)固定比例放縮幾何尺度，這在直覺上確保人類操作者能夠如預(yù)期地遙控從臂，但這在實(shí)踐中并非必要。

團(tuán)隊(duì)指出，人類的視覺反饋可以自然地補(bǔ)償硬件幾何差異，只需保證關(guān)節(jié)的排布順序一致，就能獲得良好的操作體驗(yàn)。

而由于逆運(yùn)動(dòng)學(xué)解析解的存在性（Pieper準(zhǔn)則約束）與仿人構(gòu)型的設(shè)計(jì)，當(dāng)前市面上主流的6軸、7軸機(jī)械臂的關(guān)節(jié)順序只有3種。

于是，U-Arm便針對(duì)這三種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分別設(shè)計(jì)了三款機(jī)械構(gòu)型，用戶只需根據(jù)自己機(jī)械臂的類型選擇對(duì)應(yīng)config的硬件，即可實(shí)現(xiàn)即插即用。

△三種關(guān)節(jié)構(gòu)型覆蓋市面主流機(jī)械臂類型

如文章開頭的圖片展示，U-Arm已在XArm6、Dobot CR5、ARX R5三種機(jī)械臂真機(jī)上進(jìn)行了遙操作的驗(yàn)證。

在軟件兼容性方面，U-Arm推薦用基于ROS的控制方案實(shí)現(xiàn)遙操作框架中指令發(fā)送與接收的解耦，他們將控制器封裝成了ROS節(jié)點(diǎn)，對(duì)于不同的從臂，只需訂閱U-Arm發(fā)布的關(guān)節(jié)角度話題并發(fā)送到對(duì)應(yīng)的機(jī)械臂接口即可。

面向遙操專門優(yōu)化的硬件設(shè)計(jì)

△U-Arm Config-2，所有硬件全部開源可復(fù)現(xiàn)

此前已經(jīng)有了一些低成本的3D打印遙操臂工作，舵機(jī)成本是這些硬件設(shè)備的大頭。以GELLO為例，不計(jì)算3D打印耗材成本的情況下，其單臂總BOM成本為288.24美元，其中所采用的Dynamixel舵機(jī)與控制板所占成本就超過了250美元。

U-Arm重新設(shè)計(jì)了硬件方案，在壓低成本的同時(shí)提升了可維護(hù)性和壽命。

其選用的舵機(jī)單價(jià)僅45元人民幣，一整套系統(tǒng)（不含3D打印材料）成本不到400元。

此外，團(tuán)隊(duì)還在此基礎(chǔ)上優(yōu)化了結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與裝配方式，來解決實(shí)際遙操過程中可能會(huì)遇到的易用性問題。

例如，他們將舵機(jī)的齒輪箱拆除，僅保留編碼器，同時(shí)在所有關(guān)節(jié)處均采用雙軸固定設(shè)計(jì)，使得各關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)時(shí)的阻力僅來自于可調(diào)節(jié)的舵盤螺絲，在確保操作順滑的同時(shí)避免無(wú)主動(dòng)扭矩的遙操臂在接近工作空間極限時(shí)，某些關(guān)節(jié)由于重力作用下墜的情況。

實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證效率與數(shù)據(jù)質(zhì)量?jī)?yōu)勢(shì)

團(tuán)隊(duì)在5種夾爪操作任務(wù)（從2層貨架上夾取芬達(dá)放入紙箱、從1層貨架夾取餅干、從紙箱中分揀商品放回貨架、堆疊易拉罐、在貓砂盆中夾取草莓）對(duì)U-Arm的遙操作性能進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)。

在baseline的選擇上，他們并沒有選用VR遙操進(jìn)行對(duì)比，而是選擇了成本在相近水平的游戲手柄。

△團(tuán)隊(duì)在5種操作任務(wù)上使用手柄和U-Arm進(jìn)行遙操作

實(shí)驗(yàn)表明，U-Arm在5種任務(wù)上的平均操作時(shí)間比使用游戲手柄進(jìn)行操控縮短了39%，這主要得益于主從臂遙操的架構(gòu)在優(yōu)化了冗余自由度的操控性能后，在任務(wù)的大范圍掃掠階段能夠以更快且自然的動(dòng)作接近目標(biāo)。

然而，在例如堆疊易拉罐的精細(xì)任務(wù)操作上，U-Arm的執(zhí)行成功率會(huì)下降，這主要是由于操作者在接近物體后，非預(yù)期的小范圍移動(dòng)會(huì)直接導(dǎo)致這些任務(wù)的失敗，而使用手柄時(shí)則允許操作者“看清楚了再行動(dòng)”。

但相較于數(shù)采效率的大幅提升，這部分失敗是完全可以接受的trade-off。

在數(shù)據(jù)質(zhì)量上，U-Arm相較手柄也能夠獲得更自然的運(yùn)動(dòng)軌跡，如下圖所示。團(tuán)隊(duì)指出，在與其他來源的數(shù)據(jù)進(jìn)行共同訓(xùn)練時(shí)，分布上的相似性也更有利于模型的收斂。

△手柄（藍(lán)）與U-Arm（紅）遙操作采樣軌跡對(duì)比，主從臂架構(gòu)能產(chǎn)生更自然的末端軌跡動(dòng)作

目前，該項(xiàng)目已經(jīng)在GitHub上開源了全部的硬件STL與STEP文件、軟件例程與裝配指引，提供了SAPIEN仿真環(huán)境的測(cè)試?yán)?。團(tuán)隊(duì)同步在huggingface上開源了用U-Arm采集的XArm6數(shù)據(jù)，并持續(xù)更新中。

項(xiàng)目GitHub鏈接：github.com/MINT-SJTU/LeRobot-Anything-U-Arm
相關(guān)技術(shù)報(bào)告：arxiv.org/abs/2509.02437
部分使用U-Arm采集的XArm數(shù)據(jù)：https://huggingface.co/MINT-SJTU