全球首台5G的遠端紋身機問世！利用光學追蹤結合C++打造

疫情之下，5G的發展讓遠端工作變得逐漸成熟。比如說，有人在遠端辦公，有人在遠端理髮，還有人在遠端…紋身？？是的，你沒有看錯，現在紋身也能遠端完成。

根據報導，這個專案是由荷蘭紋身藝術家韋斯·湯瑪士（Wes Thomas）和倫敦技術專家諾艾爾·德魯（Noel Drew）聯合進行的，這台配備有微型針5G動力機械臂的遠端紋身機也是世界首台！

最近荷蘭女演員史泰恩·佛蘭森（Stijn Fransen）也十分熱心地參與了整個專案中，率先體驗了遠端紋身的效果。

▲ 可以看到，一邊是史泰恩和機器臂，一邊是韋斯和假人手臂。

德魯在接受採訪時表示：「建造的每個零件都經過了仔細的考慮，有的直接購買，或是完全從頭開始設計、開發和製造的。」

要讓機器臂無限接近於畫家的手

首先，讓我們從這個紋身機器人這個概念的背景開始說起。

最初的創意其實是來自創意機構Anomaly Amsterdam，目的在通過遠端紋身來測試T-Mobile的5G技術。

對於專案的主導者之一德魯來說，這應該算不上太難，畢竟之前他就有了與機器人技術共同工作的經驗了。不過要將其與紋身相結合，他還是頭回聽到。

一旦決定了要往這個方向努力，德魯表示，他們就開始仔細考慮如何構建機器人的每個部分，有時需要專門購買一些零件，有些則需要從頭開始，在內部進行設計、開發和製造。

理想效果下，這個機器臂在四肢關節方面，最好可以無限接近於畫家的手。也正是考慮到這點，他們經過多方比較，最終選擇了Universal Robots UR3e作為基礎，開發了末端執行器，並在內部安裝。

▲ UR平台非常直觀和靈活，使用者可以立即進行安裝、運行和校準，很好上手，不過挑戰還在於如何使其與藝術家同步即時運行。

▲ 在長達六週的開發過程中，德魯表示，他需要橫跨軟體和硬體實現多條開發軌道，不斷迭代設計和原型製作，3D印表機也是幾乎「007」一樣地工作著。

現在回想起來，每天都有一點進步，當然有時也會倒退。在這個過程中，他們會先進行測試，再進行更多測試，然後進行更多更多測試。在測試週期中，提前準備好的胡桃南瓜都被破壞得體無完膚。

▲ 用C++和光學追蹤，完成校準等複雜工作

德魯表示，此前的工作經驗讓他以一種公平的方式去瞭解機器方面的東西，但在與紋身藝術家韋斯的合作過程中，他感到這些東西在令人著迷的同時也相當令人恐懼。

從簡單解決方案的小事，到出現更大問題的紋身基本方面，還有更多需要考慮的方面。例如，我的假設，紋身機會像鋼筆一樣，有墨的儲存庫，它們需要像舊羽毛筆一樣浸入到墨中，那麼就不得不為機器人開發某種輸送系統，好讓其能夠更自如地工作。

另一個挑戰是，紋身師在根據應用的設計部分使用針之前，需要在不同方向拉伸皮膚。

從技術上要追蹤韋斯的手部運動，並檢測韋斯何時與假練習手臂表面接觸並透過網路傳輸此數據，第一個挑戰就是繪製幾何圖形。

為此，他們使用了Azure Kinect DK開發套件，將一個感測器安裝在韋斯上方的框架上，另一個感測器安裝在機械手臂的末端執行器上。

首先，在沒有手臂時，對工作區域進行濾波掃瞄，其次將手臂放置在工作區域內，進行第二次掃瞄。通過兩次掃瞄得到的數據，相互減去一個點雲（point cloud），就得到代表假人和人類手臂的上表面。

下一步是將這些點雲轉換為碰撞檢測所需的表面幾何形狀。同時，他們對演算法進行了相應的調整，以識別圓柱形狀，這使他們能夠生成光滑的表面，並且還可以檢測到XY平面中的大致方向，因為兩端的兩個系統的XYZ空間未對齊。

在具體對機器臂的追蹤上，他們使用了一種基於3D手寫筆的光學追蹤方法，並開發了一個支架，可以將紋身機安裝在手寫筆上。

如此一來，只要確定了手寫筆筆尖位置，以及向量到針尖的偏移量和方向，就能完成對機器的追蹤。同時一旦鎖定了針的位置，也就能獲取碰撞點，將幾何圖形展開成平面，並透過5G將這個新的2D平面位置圖發送給機器人，然後機器人再將這些點重新進行3D包裝。

根據Drew透露，所有工作都是用C++編寫完成的，他還用其處理了Kinect感測器的掃瞄，以及引入的偏移量等數據。

在安全性的保障上，從軟體觸發器到手動緊急停止按鈕，整個專案都有故障保險，一個在德魯手中，一個在機器人手中。安全是一個非常重要的考慮因素，很多人為檢查也是不可或缺的。

從技術上講，他們還推出了一種高精度的工業線性電位計，以檢測被紋身者手臂的表面並保持所需的針深度。萬一針刺得太深，這將起到故障保護的作用。

回想起專案初始，德魯表示，和韋斯碰頭時，他既感到懷疑又相當好奇。誠然，他對這個專案充滿深刻理解，尤其是想要機器紋身的難度以及所需要的複雜的技術和流程。「即使最初覺得這是不可能的，但我仍願意努力嘗試解決問題」。

荷蘭演員史泰恩·佛蘭森對這個專案也十分好奇，不僅從一開始就參與其中，還在機器人的啟動和校準等方面幫了很多忙，甚至還願意充當這個專案的「小白鼠」。但同時她又是那麼冷靜，這是不可思議的。

我們都知道，許多紋身藝術家都是用直覺來感受皮膚表面和油墨之間的關係。這也讓德魯對人的皮膚有了更為深刻的瞭解，在專案中，他們要做到的，就是盡可能不以任何方式去阻礙或干涉這種系統。

其實，德魯一直都以極客著稱。在採訪中他也透露到，他們家第一台家用電腦是Amstrad CPC6128，他用BASIC編寫了一些任務控制「應用程式」，這些程式可以驅動故事情節，並讓他們知道何時受到外星人的攻擊。

長大後，在作為高級開發人員工作時，他第一次接觸到Arduino平台時，想到了《愛麗絲夢遊仙境》，「我在電子兔子洞裡，沒有回頭」。

「現在，我所做的很多事情都是關於某種形式的與身體的感覺互動。」

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