機(jī)器人一直是稚暉君很感興趣的一個方向，而在工業(yè)機(jī)器人中他認(rèn)為最實(shí)用的非機(jī)械臂莫屬。正巧，半年前稚暉君偶然淘到了一臺二手機(jī)械臂，這讓他有些激動。然而，喜悅之情還沒持續(xù)多久，稚暉君就有些不開心了：在他花了一些時(shí)間將這臺機(jī)械臂研究透徹，并自己開發(fā)了一套 SDK 后，感到了一點(diǎn)不妙：“這個手子不太行啊”。

稚暉君表示，目前市面上的機(jī)械臂都不夠酷，因此決定要自己造一臺很酷的機(jī)械臂，并將其取名為 Dummy（取自鋼鐵俠中一只名為 Dummy 的機(jī)械臂）。為此他總結(jié)了一份架構(gòu)設(shè)計(jì)圖（由于該圖較長，視頻中為滾動呈現(xiàn)，因此本文僅截取部分）：

硬件準(zhǔn)備

既然是要設(shè)計(jì)一臺機(jī)械臂，那就需要從硬件開始準(zhǔn)備，畢竟無論軟件算法再重要，也需要一個優(yōu)質(zhì)的載體才能完美呈現(xiàn)。

驅(qū)動方案

硬件方面，首先需要確定的就是驅(qū)動方案，其中包括人們常說機(jī)器人的三大核心部件——電機(jī)、減速器和驅(qū)動器。

一般真正的工業(yè)機(jī)器人使用的電機(jī)都是無刷伺服電機(jī)，其性能各方面都非常優(yōu)秀，只是它的驅(qū)動系統(tǒng)較為復(fù)雜，并不適用于本次機(jī)械臂極其緊湊的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。相比之下，稚暉君選擇了精度最高的步行電機(jī)，但它在高轉(zhuǎn)速下力矩較小的缺點(diǎn)需要克服。

為此，稚暉君選擇使用工業(yè)機(jī)械臂里面最常用的諧波減速以解決步行電機(jī)的力矩問題：其零背隙、高減速比、超小體積等優(yōu)點(diǎn)簡直是為這個項(xiàng)目量身打造。

電機(jī)和減速器確定后，驅(qū)動器方面稚暉君設(shè)計(jì)了一個步進(jìn)電機(jī)的一體閉環(huán)驅(qū)動，以此保證驅(qū)動精度和體積最小化。

結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

驅(qū)動方案確定之后，緊接著就是結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，以下為設(shè)計(jì)圖最終版本：

大家有沒有注意到這張圖的一個亮點(diǎn)？

沒錯，這個最終版本是第 151 版，在此之前還有 150 個版本稿，稚暉君都直呼：“這次的作品是我至今為止畫過最復(fù)雜的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了?！?/p>

從圖中可以看到，這款機(jī)械臂一共使用了 6 個電機(jī)和 6 個諧波減速器，機(jī)身主體采用鋁 CNC 加工，裝飾組件則由 3D 打印制作，為了美觀，控制電路上也都集成在本體上。

稚暉君還提到，之所以這個機(jī)械臂會設(shè)計(jì)成紅色，并不是為了致敬鋼鐵俠，而是因?yàn)椤叭绻吧撹F俠的機(jī)器人有顏色的話，那一定是中國紅”，稚暉君自稱為“野生鋼鐵俠”。

電路設(shè)計(jì)

整套機(jī)械臂的電路設(shè)計(jì)也非常復(fù)雜，其中涉及到了電源模塊、電機(jī)驅(qū)動、計(jì)算模塊、通信系統(tǒng)等很多方面，光各種型號的 MCU 就用了 12 個。此外，為了后續(xù)的擴(kuò)展性夠強(qiáng)，能在交互方面做一些獨(dú)特創(chuàng)新，稚暉君在機(jī)體上還搭載了 WiFi、藍(lán)牙、2.4G 等多種無線能力。

當(dāng)然，這都是次要的，在電路方面最主要的還是主控制器和電機(jī)伺服驅(qū)動器。

先說電機(jī)伺服驅(qū)動器吧，稚暉君將其設(shè)計(jì)為電機(jī)一體式的驅(qū)動，支持 CAN 總線和功率機(jī)聯(lián)，因此整套系統(tǒng)下來，僅需 4 根線即可將 6 個電機(jī)以及末端執(zhí)行器全部連接起來。不僅如此，這款驅(qū)動器的性能也非常優(yōu)秀，使用 FOC 加斬波恒流，并且添加了高精度的磁編碼進(jìn)行閉環(huán)控制，因此避免了像傳統(tǒng)步進(jìn)電機(jī)那樣丟步的可能，在最高轉(zhuǎn)速和效率方面也表現(xiàn)不俗。

“如果說驅(qū)動器是心臟的話，那控制器就是機(jī)械臂的小腦了?！笨刂破鞣矫?，稚暉君采用了他此前開發(fā)的機(jī)器人開發(fā)框架 REF，基于 Cortex-M4 內(nèi)核的 MCU。稚暉君解釋道，這是因?yàn)?M4 內(nèi)核自帶 FPU 和 DSP，可大幅提升此后控制算法中涉及到的大量復(fù)雜計(jì)算的效率。另外，主控制器采用冗余設(shè)計(jì)，除了主控制器 REF 外，還搭載了一個 ESP32 作為協(xié)處理器，用作 STM32 的安全備份并提供 WiFi、 藍(lán)牙等無線能力。

總體而言，稚暉君為解決精度和性能問題，共進(jìn)行了三個步驟：

第一、使用步進(jìn)電機(jī)加一體閉環(huán)驅(qū)動；

第二、使用 0 背隙的諧波減速器；

第三、在后續(xù)的算法實(shí)踐中進(jìn)行高精度補(bǔ)償。

軟件走起

硬件具備了，但這只是開始，更為核心的還是軟件算法部分。稚暉君指出，對于機(jī)械臂來說，最核心的軟件內(nèi)容在于運(yùn)動學(xué)正逆解的算法以及動力學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。

運(yùn)動學(xué)正逆解算法可以得知機(jī)械臂每個關(guān)節(jié)角度和最終末端位置之間的正逆解求解關(guān)系，而動力學(xué)模型則用于實(shí)現(xiàn)碰撞檢測、柔性控制、力學(xué)反饋等多種功能，具體會涉及到大量十分復(fù)雜的矩陣和偏微分計(jì)算，這一點(diǎn)也是稚暉君在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中花費(fèi)時(shí)間最多的部分：“請大家記住，這些項(xiàng)目表面上看起來是電子和機(jī)械，其實(shí)背后全是算法和數(shù)學(xué)。”

除了核心算法外，軟件部分還包括命令行和圖形化的上位機(jī)、手機(jī)端的 APP 以及無線示教器固件等。另外，可能還有人注意到了機(jī)械臂底座上有一個又大又圓的燈環(huán)：

看起來是不是很像......沒錯，就是鴻蒙的 Logo，這臺機(jī)械臂主控制器里運(yùn)行的是 LiteOS 內(nèi)核的鴻蒙系統(tǒng)。

交互方式

軟硬件兼?zhèn)?，那么接下來就是我們最喜聞樂見的演示環(huán)節(jié)啦！在這個部分，稚暉君展示了很多常規(guī)和非常規(guī)的交互方式，一句話總結(jié)就是：你想要的交互方式，這里都有！

利用串口

這是一種最簡單的交互方式，機(jī)械臂通過 USB 連上電腦會出現(xiàn)一個串口號，使用者能很方便地用串口命令來控制機(jī)械臂，還可以選擇多種坐標(biāo)方式，例如關(guān)節(jié)坐標(biāo)系、世界坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系等，而所有的姿態(tài)結(jié)算均在機(jī)械臂內(nèi)部完成。

使用命令行

通過稚暉君設(shè)計(jì)的 REF 自帶的 RPC 框架，可實(shí)現(xiàn)更大自由度的機(jī)械臂控制和各種參數(shù)設(shè)置。

圖形化上位機(jī)

以上兩種方式對于技術(shù)人沒啥問題，但對于普通人來說就有些“陰間”了。因此稚暉君還實(shí)現(xiàn)了對應(yīng)的圖形化上位機(jī)，可以在上位機(jī)中進(jìn)行“傻瓜式”的拖拽交互。

同時(shí)，這種交互還是雙向的，即不僅可以把動作下發(fā)給機(jī)械臂，還可以在軟件中實(shí)時(shí)同步機(jī)械臂的姿態(tài)：

手動協(xié)作示教

理論上來說，以上三種交互方式已經(jīng)可以滿足絕大多數(shù)的使用需求了，但精益求精的稚暉君怎會止步于此：“更優(yōu)雅的交互方式是什么？當(dāng)然是連軟件都不用打開，所見即所得?！?/p>

基于此，可在硬件設(shè)計(jì)階段通過合理設(shè)置減速器的減速比，使得機(jī)械臂可以在保持力矩和精度的同時(shí)進(jìn)行反驅(qū)，以此獲得手動協(xié)作示教的功能，即只需手動教它一遍運(yùn)動流程，它就可以自動學(xué)習(xí)重復(fù)：

但很多協(xié)作機(jī)器都有手動示教功能，所以稚暉君覺得這并不算炫酷，因此他設(shè)計(jì)了一個開啟示教功能的特別方法：一個無線智能小終端。

這個無線示教器名為 Peak，其功能非常多，可通過低功耗藍(lán)牙和機(jī)械臂進(jìn)行無感連接以實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂的各種狀態(tài)信息，還可以切換各種功能，其中就包括進(jìn)入示教模式。

AR

除此之外，稚暉君還利用了較為前沿的 AR 技術(shù)作為交互方式。畢竟上位機(jī)無法展示真實(shí)環(huán)境，手動示教也比較累，而結(jié)合增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)則可以真正實(shí)現(xiàn)“指哪打哪”的效果。

終極交互形態(tài)：像自己的手臂一樣

相信在許多人看來，以上這些交互方式已經(jīng)足夠優(yōu)秀了，但對稚暉君來說卻“還沒有到理想狀態(tài)”、“這一切都還不夠自然和優(yōu)雅”。為了追求極致的交互狀態(tài)，稚暉君思考了很久，最終想到了人類使用機(jī)械臂最符合直覺的方式：要跟使用自己的手臂一樣。

出于這種想法，稚暉君設(shè)計(jì)了一套由雙目相機(jī)、AHRS 系統(tǒng)、AI 算力平臺、力傳感和力反饋裝置以及通信模組組成的裝置，以此實(shí)現(xiàn)將人類手臂的動作直接同步到機(jī)械臂上，具體原理如下：

首先由雙目相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識別和跟蹤定位以及AHRS 系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)解算來獲取準(zhǔn)確的手部位置和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)（由于此過程涉及到的 AI 算法需要高效計(jì)算平臺來承載，因此稚暉君選擇了華為昇騰的 Atlas 邊緣計(jì)算平臺），然后實(shí)時(shí)的位姿信息會經(jīng)過復(fù)雜的坐標(biāo)換算通過無線的方式發(fā)送給機(jī)械臂，機(jī)械臂收到之后便能響應(yīng)執(zhí)行。

不僅如此，考慮到機(jī)械臂的實(shí)用性價(jià)值，稚暉君還為機(jī)械臂設(shè)計(jì)了一個帶力反饋的微型夾爪，也就是說，使用者可隨時(shí)得知夾爪正在抓取東西的力度。

同時(shí)，結(jié)合空間定位系統(tǒng)，他還設(shè)計(jì)了一個手持控制器，集成了 AHRS 裝置、紅外 LED 以及 PS5 手柄中號稱黑科技的扳機(jī)（其中安置了一個力反饋馬達(dá)，可實(shí)現(xiàn)對于各種物理效果的真實(shí)模擬）。

整套設(shè)備的最終效果堪稱終極交互形態(tài)：使用者不僅可以把動作實(shí)時(shí)同步到機(jī)械臂，而且還可以在控制器這邊實(shí)時(shí)感受到機(jī)械臂末端抓取東西的質(zhì)感。

為了展現(xiàn)這個效果有多驚人，稚暉君用機(jī)械臂給葡萄做了一個縫合手術(shù)：

自然，這套動作讓人們親手完成也可以，不就是縫個葡萄，但你可以人在廁所縫著客廳的葡萄嗎？沒錯，這臺機(jī)械臂可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程操作，除此之外，他還可以進(jìn)行軟件去抖、運(yùn)動范圍的重映射、力矩強(qiáng)增強(qiáng)等多種人手無法達(dá)到的效果。

審核編輯：劉清