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引言
隨著人工智能和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，機(jī)械臂在工業(yè)、醫(yī)療和服務(wù)業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。通過(guò)結(jié)合大模型和多模態(tài)AI，機(jī)械臂能夠?qū)崿F(xiàn)更加復(fù)雜和智能化的任務(wù)，提升了人機(jī)協(xié)作的效率和效果。我們個(gè)人平時(shí)接觸不太到機(jī)械臂這類(lèi)的機(jī)器人產(chǎn)品，但是有一種小型的機(jī)械臂我們?nèi)巳硕伎梢該碛兴黰yCobot，價(jià)格低廉的一種桌面型機(jī)械臂。

案例介紹
本文介紹同濟(jì)子豪兄開(kāi)源的一個(gè)名為“vlm_arm”項(xiàng)目，這個(gè)項(xiàng)目中將mycobot 機(jī)械臂與大模型和多模態(tài)AI結(jié)合，創(chuàng)造了一個(gè)具身智能體。該項(xiàng)目展示了如何利用先進(jìn)的AI技術(shù)提高機(jī)械臂的自動(dòng)化和智能化水平。本文的目的是通過(guò)詳細(xì)介紹該案例的方法和成功，展示機(jī)械臂具身智能體的實(shí)際應(yīng)用。

產(chǎn)品介紹
myCobot 280 Pi
myCobot 280 Pi是一款6自由度的桌面型機(jī)械臂，主要的控制核心是Raspberry Pi 4B，輔助控制核心是ESP32，同時(shí)配備了 Ubuntu Mate 20.04 操作系統(tǒng)和豐富的開(kāi)發(fā)環(huán)境。這使得 myCobot 280 Pi 在無(wú)需外接 PC 的情況下，只需連接顯示器、鍵盤(pán)和鼠標(biāo)即可進(jìn)行開(kāi)發(fā)。

這款機(jī)械臂重量輕，尺寸小，具有多種軟硬件交互功能，兼容多種設(shè)備接口。它支持多平臺(tái)的二次開(kāi)發(fā)，適用于人工智能相關(guān)學(xué)科教育、個(gè)人創(chuàng)意開(kāi)發(fā)、商業(yè)應(yīng)用探索等多種應(yīng)用場(chǎng)景。

Camera Flange 2.0
在案例中使用到的攝像頭，通過(guò)usb數(shù)據(jù)線(xiàn)跟raspberry pi鏈接，可以獲取到圖像來(lái)進(jìn)行機(jī)器視覺(jué)的處理。

Suction Pump 2.0
吸泵，工作原理通過(guò)電磁閥抽空起造成壓強(qiáng)差然后將物體吸起來(lái)。通過(guò)IO接口鏈接機(jī)械臂，用pymycobot 的API進(jìn)行控制吸泵的開(kāi)關(guān)。

機(jī)械臂的末端都是通過(guò)LEGO連接件連接起來(lái)的，所以它們之間可以很方便的連接起來(lái)不需要額外的結(jié)構(gòu)件。

技術(shù)介紹
整個(gè)的案例將在python環(huán)境中進(jìn)行編譯，下面講介紹使用到的庫(kù)。

pymycobot：

elephant robotics編寫(xiě)的對(duì)myCobot 控制的python庫(kù)，可以通過(guò)坐標(biāo)，角度來(lái)控制機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)，也可以控制官方適配的末端執(zhí)行器例如夾爪，吸泵的運(yùn)動(dòng)。

Yi-Large：

Yi-large 是由中國(guó)人工智能公司 01.AI 開(kāi)發(fā)的大型語(yǔ)言模型，擁有超過(guò) 1000 億參數(shù)。Yi-large 使用了一種叫做“Transformer”的架構(gòu)，并對(duì)其進(jìn)行了改進(jìn)，使其在處理語(yǔ)言和視覺(jué)任務(wù)時(shí)表現(xiàn)得更好。

Claude 3 Opus：

該模型還展示了強(qiáng)大的多語(yǔ)言處理能力和改進(jìn)的視覺(jué)分析功能，能夠進(jìn)行圖像的轉(zhuǎn)錄和分析。此外，Claude 3 Opus 被設(shè)計(jì)為更具責(zé)任感和安全性，減少了偏見(jiàn)和隱私問(wèn)題，確保其輸出更加可信和中立。

AppBuilder-SDK：

AppBuilder-SDK 的功能非常廣泛，包含了諸如語(yǔ)音識(shí)別、自然語(yǔ)言處理、圖像識(shí)別等AI能力組件 (Read the Docs) 。具體來(lái)說(shuō)，它包括了短語(yǔ)音識(shí)別、通用文字識(shí)別、文檔解析、表格抽取、地標(biāo)識(shí)別、問(wèn)答對(duì)挖掘等多個(gè)組件 (Read the Docs) (GitHub) 。這些功能使開(kāi)發(fā)者可以構(gòu)建從基礎(chǔ)AI功能到復(fù)雜應(yīng)用的各種項(xiàng)目，提升開(kāi)發(fā)效率。

該案例中提到了很多的大語(yǔ)言模型，都是可以自行去測(cè)試每個(gè)大語(yǔ)言輸出的不同的結(jié)果如何。

項(xiàng)目結(jié)構(gòu)
介紹項(xiàng)目之前必須得介紹一下項(xiàng)目的構(gòu)成，制作了一張流程圖方便理解。

語(yǔ)音識(shí)別-appbuild
首先通過(guò)調(diào)用本地的電腦進(jìn)行麥克風(fēng)的錄音制作成音頻文件。

#調(diào)用麥克風(fēng)錄音。
def record(MIC_INDEX=0, DURATION=5):
   '''
   調(diào)用麥克風(fēng)錄音，需用arecord -l命令獲取麥克風(fēng)ID
   DURATION，錄音時(shí)長(zhǎng)
   '''
   os.system('sudo arecord -D "plughw:{}" -f dat -c 1 -r 16000 -d {} temp/speech_record.wav'.format(MIC_INDEX, DURATION))

當(dāng)然這種默認(rèn)的錄音在一些特定的環(huán)境中效果是不好的，所以要設(shè)定相關(guān)的參數(shù)保證錄音的質(zhì)量。

   CHUNK = 1024               # 采樣寬度
   RATE = 16000               # 采樣率
   
   QUIET_DB = 2000            # 分貝閾值，大于則開(kāi)始錄音，否則結(jié)束
   delay_time = 1             # 聲音降至分貝閾值后，經(jīng)過(guò)多長(zhǎng)時(shí)間，自動(dòng)終止錄音
   
   FORMAT = pyaudio.paInt16
   CHANNELS = 1 if sys.platform == 'darwin' else 2 # 采樣通道數(shù)

根據(jù)參數(shù)的設(shè)定，然后開(kāi)始錄音，之后要對(duì)文件進(jìn)行保存。

 output_path = 'temp/speech_record.wav'
   wf = wave.open(output_path, 'wb')
   wf.setnchannels(CHANNELS)
   wf.setsampwidth(p.get_sample_size(FORMAT))
   wf.setframerate(RATE)
   wf.writeframes(b''.join(frames[START_TIME-2:END_TIME]))
   wf.close()
   print('保存錄音文件', output_path)

有了錄音文件，電腦當(dāng)然沒(méi)那么智能我們需要用到appbuild-sdk來(lái)對(duì)音頻文件的語(yǔ)音進(jìn)行識(shí)別,這樣LLM才能夠獲取我們說(shuō)的話(huà)然后做出一些對(duì)應(yīng)的操作。

import appbuilder

os.environ["APPBUILDER_TOKEN"] = APPBUILDER_TOKEN
asr = appbuilder.ASR() # 語(yǔ)音識(shí)別組件
def speech_recognition(audio_path='temp/speech_record.wav'):

   # 載入wav音頻文件
   with wave.open(audio_path, 'rb') as wav_file:
       
       # 獲取音頻文件的基本信息
       num_channels = wav_file.getnchannels()
       sample_width = wav_file.getsampwidth()
       framerate = wav_file.getframerate()
       num_frames = wav_file.getnframes()
       
       # 獲取音頻數(shù)據(jù)
       frames = wav_file.readframes(num_frames)
       
   # 向API發(fā)起請(qǐng)求
   content_data = {"audio_format": "wav", "raw_audio": frames, "rate": 16000}
   message = appbuilder.Message(content_data)
   speech_result = asr.run(message).content['result'][0]

   return speech_result

Prompt-Agent
緊接著，我們要prompt大語(yǔ)言模型，提前告訴它出現(xiàn)某種情況應(yīng)該如何進(jìn)行應(yīng)對(duì)。這邊對(duì)調(diào)用LLM的API 就不做過(guò)多的介紹了，讓我們來(lái)看看如何對(duì)LLM做預(yù)訓(xùn)練。

prompt: (截取部分片段，以下是做中文的翻譯）

你是我的機(jī)械臂助手，機(jī)械臂內(nèi)置了一些函數(shù)，請(qǐng)你根據(jù)我的指令，以json形式輸出要運(yùn)行的對(duì)應(yīng)函數(shù)和你給我的回復(fù)

【以下是所有內(nèi)置函數(shù)介紹】
機(jī)械臂位置歸零，所有關(guān)節(jié)回到原點(diǎn)：back_zero()
放松機(jī)械臂，所有關(guān)節(jié)都可以自由手動(dòng)拖拽活動(dòng)：back_zero()
做出搖頭動(dòng)作：head_shake()
做出點(diǎn)頭動(dòng)作：head_nod()
做出跳舞動(dòng)作：head_dance()
打開(kāi)吸泵：pump_on()
關(guān)閉吸泵：pump_off()【輸出json格式】
你直接輸出json即可，從{開(kāi)始，不要輸出包含```json的開(kāi)頭或結(jié)尾
在'function'鍵中，輸出函數(shù)名列表，列表中每個(gè)元素都是字符串，代表要運(yùn)行的函數(shù)名稱(chēng)和參數(shù)。每個(gè)函數(shù)既可以單獨(dú)運(yùn)行，也可以和其他函數(shù)先后運(yùn)行。列表元素的先后順序，表示執(zhí)行函數(shù)的先后順序
在'response'鍵中，根據(jù)我的指令和你編排的動(dòng)作，以第一人稱(chēng)輸出你回復(fù)我的話(huà)，不要超過(guò)20個(gè)字，可以幽默和發(fā)散，用上歌詞、臺(tái)詞、互聯(lián)網(wǎng)熱梗、名場(chǎng)面。比如李云龍的臺(tái)詞、甄嬛傳的臺(tái)詞、練習(xí)時(shí)長(zhǎng)兩年半。
【以下是一些具體的例子】
我的指令：回到原點(diǎn)。你輸出：{'function':['back_zero()'], 'response':'回家吧，回到最初的美好'}
我的指令：先回到原點(diǎn)，然后跳舞。你輸出：{'function':['back_zero()', 'head_dance()'], 'response':'我的舞姿，練習(xí)時(shí)長(zhǎng)兩年半'}
我的指令：先回到原點(diǎn)，然后移動(dòng)到180, -90坐標(biāo)。你輸出：{'function':['back_zero()', 'move_to_coords(X=180, Y=-90)'], 'response':'精準(zhǔn)不，老子打的就是精銳'}

智能視覺(jué)抓取
在這個(gè)過(guò)程中，只需要myCobot移動(dòng)到俯視的一個(gè)位置，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行拍攝，然后將拍攝后的照片交給視覺(jué)模型進(jìn)行處理，獲取到目標(biāo)的參數(shù)就可以返回給機(jī)械臂做抓取運(yùn)動(dòng)。

調(diào)用相機(jī)進(jìn)行拍攝

def check_camera():
   cap = cv2.VideoCapture(0)
   
   while(True):
       ret, frame = cap.read()
   
       # gray = cv2.cvtColor(frame, cv2.COLOR_BGR2GRAY)
   
       cv2.imshow('frame', frame)
       if cv2.waitKey(1) & 0xFF == ord('q'):
           break
   
   cap.release()
   cv2.destroyAllWindows()

講圖像交給大模型進(jìn)行處理，之后得到的參數(shù)需要進(jìn)一步的處理，繪制可視化的效果，最終將返回得到歸一化坐標(biāo)轉(zhuǎn)化為實(shí)際圖像中的像素坐標(biāo)。

def post_processing_viz(result, img_path, check=False):
   
   '''
   視覺(jué)大模型輸出結(jié)果后處理和可視化
   check：是否需要人工看屏幕確認(rèn)可視化成功，按鍵繼續(xù)或退出
   '''

   # 后處理
   img_bgr = cv2.imread(img_path)
   img_h = img_bgr.shape[0]
   img_w = img_bgr.shape[1]
   # 縮放因子
   FACTOR = 999
   # 起點(diǎn)物體名稱(chēng)
   START_NAME = result['start']
   # 終點(diǎn)物體名稱(chēng)
   END_NAME = result['end']
   # 起點(diǎn)，左上角像素坐標(biāo)
   START_X_MIN = int(result['start_xyxy'][0][0] * img_w / FACTOR)
   START_Y_MIN = int(result['start_xyxy'][0][1] * img_h / FACTOR)
   # 起點(diǎn)，右下角像素坐標(biāo)
   START_X_MAX = int(result['start_xyxy'][1][0] * img_w / FACTOR)
   START_Y_MAX = int(result['start_xyxy'][1][1] * img_h / FACTOR)
   # 起點(diǎn)，中心點(diǎn)像素坐標(biāo)
   START_X_CENTER = int((START_X_MIN + START_X_MAX) / 2)
   START_Y_CENTER = int((START_Y_MIN + START_Y_MAX) / 2)
   # 終點(diǎn)，左上角像素坐標(biāo)
   END_X_MIN = int(result['end_xyxy'][0][0] * img_w / FACTOR)
   END_Y_MIN = int(result['end_xyxy'][0][1] * img_h / FACTOR)
   # 終點(diǎn)，右下角像素坐標(biāo)
   END_X_MAX = int(result['end_xyxy'][1][0] * img_w / FACTOR)
   END_Y_MAX = int(result['end_xyxy'][1][1] * img_h / FACTOR)
   # 終點(diǎn)，中心點(diǎn)像素坐標(biāo)
   END_X_CENTER = int((END_X_MIN + END_X_MAX) / 2)
   END_Y_CENTER = int((END_Y_MIN + END_Y_MAX) / 2)
   
   # 可視化
   # 畫(huà)起點(diǎn)物體框
   img_bgr = cv2.rectangle(img_bgr, (START_X_MIN, START_Y_MIN), (START_X_MAX, START_Y_MAX), [0, 0, 255], thickness=3)
   # 畫(huà)起點(diǎn)中心點(diǎn)
   img_bgr = cv2.circle(img_bgr, [START_X_CENTER, START_Y_CENTER], 6, [0, 0, 255], thickness=-1)
   # 畫(huà)終點(diǎn)物體框
   img_bgr = cv2.rectangle(img_bgr, (END_X_MIN, END_Y_MIN), (END_X_MAX, END_Y_MAX), [255, 0, 0], thickness=3)
   # 畫(huà)終點(diǎn)中心點(diǎn)
   img_bgr = cv2.circle(img_bgr, [END_X_CENTER, END_Y_CENTER], 6, [255, 0, 0], thickness=-1)
   # 寫(xiě)中文物體名稱(chēng)
   img_rgb = cv2.cvtColor(img_bgr, cv2.COLOR_BGR2RGB) # BGR 轉(zhuǎn) RGB
   img_pil = Image.fromarray(img_rgb) # array 轉(zhuǎn) pil
   draw = ImageDraw.Draw(img_pil)
   # 寫(xiě)起點(diǎn)物體中文名稱(chēng)
   draw.text((START_X_MIN, START_Y_MIN-32), START_NAME, font=font, fill=(255, 0, 0, 1)) # 文字坐標(biāo)，中文字符串，字體，rgba顏色
   # 寫(xiě)終點(diǎn)物體中文名稱(chēng)
   draw.text((END_X_MIN, END_Y_MIN-32), END_NAME, font=font, fill=(0, 0, 255, 1)) # 文字坐標(biāo)，中文字符串，字體，rgba顏色
   img_bgr = cv2.cvtColor(np.array(img_pil), cv2.COLOR_RGB2BGR) # RGB轉(zhuǎn)BGR

   return START_X_CENTER, START_Y_CENTER, END_X_CENTER, END_Y_CENTER

要用到手眼標(biāo)定將圖像中的像素坐標(biāo)，轉(zhuǎn)化為機(jī)械臂的坐標(biāo)，以至于機(jī)械臂能夠去執(zhí)行抓取。

def eye2hand(X_im=160, Y_im=120):

   # 整理兩個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的坐標(biāo)
   cali_1_im = [130, 290]                       # 左下角，第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的像素坐標(biāo)，要手動(dòng)填！
   cali_1_mc = [-21.8, -197.4]                  # 左下角，第一個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的機(jī)械臂坐標(biāo)，要手動(dòng)填！
   cali_2_im = [640, 0]                         # 右上角，第二個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的像素坐標(biāo)
   cali_2_mc = [215, -59.1]                    # 右上角，第二個(gè)標(biāo)定點(diǎn)的機(jī)械臂坐標(biāo)，要手動(dòng)填！
   
   X_cali_im = [cali_1_im[0], cali_2_im[0]]     # 像素坐標(biāo)
   X_cali_mc = [cali_1_mc[0], cali_2_mc[0]]     # 機(jī)械臂坐標(biāo)
   Y_cali_im = [cali_2_im[1], cali_1_im[1]]     # 像素坐標(biāo)，先小后大
   Y_cali_mc = [cali_2_mc[1], cali_1_mc[1]]     # 機(jī)械臂坐標(biāo)，先大后小

   # X差值
   X_mc = int(np.interp(X_im, X_cali_im, X_cali_mc))

   # Y差值
   Y_mc = int(np.interp(Y_im, Y_cali_im, Y_cali_mc))

   return X_mc, Y_mc

最后將全部的技術(shù)整合在一起就形成了一個(gè)完成的Agent了，就能夠?qū)崿F(xiàn)指哪打哪的功能。

https://www.youtube.com/watch?v=VlSQQJreIrI

總結(jié)
vlm_arm項(xiàng)目展示了將多個(gè)大模型與機(jī)械臂結(jié)合的巨大潛力，為人機(jī)協(xié)作和智能化應(yīng)用提供了新的思路和方法。這一案例不僅展示了技術(shù)的創(chuàng)新性和實(shí)用性，也為未來(lái)類(lèi)似項(xiàng)目的開(kāi)發(fā)提供了寶貴的經(jīng)驗(yàn)和參考。通過(guò)對(duì)項(xiàng)目的深入分析，我們可以看到多模型并行使用在提升系統(tǒng)智能化水平方面的顯著效果，為機(jī)器人技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。

離實(shí)現(xiàn)鋼鐵俠中的賈維斯越來(lái)越近了，未來(lái)電影中的畫(huà)面終將會(huì)成為現(xiàn)實(shí)。

審核編輯 黃宇