文丨光錐智能，作者丨羅寧

“這個機器人的每一個環(huán)節(jié)，拆掉都夠我們一個院當畢業(yè)設(shè)計了?！?/p>

“現(xiàn)在終于理解為什么十個普通工程師也比不上一個天才工程師了。”

四個月前，B站UP主稚暉君憑借一輛可以自動駕駛的自行車登上熱搜（之前的文章鏈接），經(jīng)過一段時間的“閉關(guān)修煉”，當他再次上傳視頻時，又給我們帶來了不小驚喜：這一次，稚輝君造出了一臺如同《鋼鐵俠》里一樣強悍的機械臂Dummy，讓不少業(yè)內(nèi)人士看完直呼好強。

機械臂或許大家都見過，在工業(yè)領(lǐng)域，無論是汽車裝配制造還是機械加工，幾乎清一色都由機械臂來運作，在太空中，今年由中國自主研制的天和號空間站上也出現(xiàn)了大型機械臂的身影。但由于價格和功能限制，在大部分人家中，我們幾乎看不到它，那么稚暉君自己動手造出的這臺機械臂究竟有什么特別？

首先，這臺機械臂擁有特殊且實用的交互方式。除了傳統(tǒng)的電腦輸入指令、圖形化相位機、手動示教等方式操控外，稚暉君的這臺機械臂還加入了一塊顯示屏，可以通過無線連接來直觀看到機械臂動作并控制它。

不僅如此，他還做了更大膽的設(shè)計，只需要自己手持遠端控制器，就能同步機器人實現(xiàn)手部的各種動作，操作更加簡單絲滑，一下子就讓機械臂擁有了強悍的動作能力。

但稚暉君還不滿足，經(jīng)過改造的手持遙控器擁有力反饋馬達，不但能正向操控機器人的夾爪，還能在抓取物品后遠程感受到抓取時的力度，于是，利用這樣一套能夠遠程感受操控力度的裝置，這臺機械臂實現(xiàn)了類似達芬奇機器人一般強悍的“手術(shù)”能力，比如給葡萄做一個縫合手術(shù)。

很難想象，這個功能如此強大的機械臂居然是稚暉君利用業(yè)余時間，在四個月時間之內(nèi)做出來的，但為何要做這樣一臺機械臂？又有哪些創(chuàng)新之處令人關(guān)注？在視頻中，通過稚暉君分享的設(shè)計和思考全過程，我們或許能從中一窺如今國內(nèi)機械臂領(lǐng)域的變化以及這類產(chǎn)品更深層的意義所在。

自己做一臺機械臂要分幾步走？

每個理工男或許都夢想過擁有一臺機械臂，稚暉君也是如此，他做這個項目的起點來自于淘到的一個二手機械臂。盡管這臺機器體型小巧，但配套資料幾乎為0，要想實現(xiàn)自己心中期望的各種功能，稚暉君需要自己動手，他把整個過程分成三步：

第一步，功能設(shè)計。包括基礎(chǔ)功能和擴展應用兩部分，基礎(chǔ)功能就比如動力學控制、可更換末端效應器、上機位交互等部分。擴展應用則包含AR數(shù)字孿生、力覺同步、空間動作捕捉、自主抓取、語音控制等部分。所有功能都要在基礎(chǔ)的機械臂上自行解決，這相當于有了食材，但要自己做出完整的一道菜。

第二步，理論分析。設(shè)計好功能之后，不但要從運動學分析實現(xiàn)功能的各種參數(shù)和算法，還要用動力學去搞定機械臂在活動中用到的各種復雜情況，做理論分析的目的是在整個設(shè)計過程中“有法可依”，理論雖然枯燥，但卻貫穿到了每一個重要環(huán)節(jié)。

第三步，技術(shù)路線。經(jīng)過理論分析后將所有功能拆分成具體的環(huán)節(jié)，其中包括機械臂本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計和ID設(shè)計，閉環(huán)伺服和控制器的軟件和硬件設(shè)計，以及空間定位裝置的設(shè)計，層層相扣的環(huán)節(jié)組合在一起才能實現(xiàn)最終的功能目標。

按照這個三步方案，稚暉君首先要在硬件層面依次解決電機、驅(qū)動器、減速器這三大核心部分的設(shè)計。

一般情況下，工業(yè)機器人中采用的都是無刷伺服電機，這種電機的好處在于動態(tài)響應、力矩和精度上都很不錯，但考慮到自己的機械臂結(jié)構(gòu)緊湊，稚暉君采用了步進電機作為核心，優(yōu)點在于精度極高，缺點在于高轉(zhuǎn)速下力矩較小，于是他又搭配了諧波減速器作為增大力矩的配件組合，至于驅(qū)動部分，為了保證精度以及體積的最小化，稚暉君設(shè)計了一個步進電機的一體閉環(huán)驅(qū)動。

在準備好了電機、驅(qū)動器、減速器三大硬件部分之后，稚暉君開始對機械臂的軟件層面展開設(shè)計，這部分同樣十分重要，稚暉君提到整個項目花費時間最多的正是軟件部分。

這臺機械臂軟件核心在于算法，其中就包括運動學正逆解的算法和動力學模型的實現(xiàn)。

前者能夠得到機械臂的每個關(guān)節(jié)角度和最終末端位置之間的正逆解求解關(guān)系，后者則用于實現(xiàn)碰撞檢測、柔性控制、力學反饋等很多功能，這又涉及到大量復雜的矩陣和偏微分計算，正因如此，機器人才得以盡可能接近于人的手臂一樣做出各種靈活動作。

此外，稚暉君還設(shè)計了命令行、圖形化的上位機、手機端APP以及無線示教固件等等，這還不夠，為了能夠讓機械臂和自己的手同步做出各種動作，他還將雙目相機、AHRS系統(tǒng)、華為昇騰AI算力平臺集合在一起，設(shè)計了可以“同步現(xiàn)實”的遠程操控方式，甚至還在主控制器當中使用了基于LiteOS內(nèi)核的鴻蒙系統(tǒng)，而這一切都是為了能夠讓機械臂運動自如，并便于操作，正如視頻中他自己總結(jié)的那樣：

“這個項目表面上看起來是電子和機械，其實背后全是算法和數(shù)學?！?/p>

雖然視頻只有16分鐘，但稚暉君為了造出這臺機械臂整整花了4個月時間，經(jīng)歷了150個版本的修改，可以說，如今能夠做到前面提到的各種各樣的“黑科技”操作，是因為稚暉君把一臺二手且完全不夠智能的機械臂變成了一個全新的、附加各種智能功能的新產(chǎn)品，這樣硬核且強大的機械臂，自然也就比普通的機械臂更能充當他的桌面小助手了，而從這樣一個產(chǎn)品，我們或許還能看到中國機械臂領(lǐng)域的另一面。

中國機械臂前路依舊漫長

明眼人或許發(fā)現(xiàn)了，視頻中稚暉君淘到的二手機械臂，來自于海外日本三菱公司，而視頻中使用到的諧波減速器，在很長一段時間都幾乎由海外公司壟斷。

作為一種從上世紀70、80年代斯坦福大學實驗室中走出的兩種機器人形態(tài)之一，機械臂在工業(yè)機器人領(lǐng)域已經(jīng)存在半個多世紀，但中國在相關(guān)領(lǐng)域的核心技術(shù)上依舊和海外有不少差距。正如中國科學院院士，清華大學人工智能研究院教授張鈸在2021年世界機器人大會演講時提到的：

“國產(chǎn)工業(yè)機器人多集中于低端應用領(lǐng)域。相對較復雜的多關(guān)節(jié)機器人市場，國外公司占據(jù)國內(nèi)市場的90%以上份額。國內(nèi)的工業(yè)機器人絕大部分只是組裝， 國產(chǎn)自主品牌核心零部件技術(shù)尚有差距。國產(chǎn)機器人中80%-90%使用國外減速器，60-70%使用國外電機、40%-50%使用國外控制器，缺乏核心零部件技術(shù)?！?br />

（圖自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

一位長期在工業(yè)機器人領(lǐng)域工作的從業(yè)者也向光錐智能表示：“國內(nèi)工業(yè)機器人起步較晚，現(xiàn)在市場上叫得響的品牌，除了新松，其他絕大部分應該都是在2008年之后成立的，技術(shù)積累與四大家族的30-40年積累不可同日而語。”

尤其是在機械臂領(lǐng)域，在他看來，由于相關(guān)領(lǐng)域的硬件技術(shù)已經(jīng)較成熟，國內(nèi)很難發(fā)表有較高影響力的創(chuàng)新型學術(shù)論文，這導致該領(lǐng)域缺少一流學者引領(lǐng)新技術(shù)發(fā)展，也影響了國內(nèi)機械臂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

或許，也正因國內(nèi)公司未能實現(xiàn)機械臂核心技術(shù)突破，我們?nèi)缃褚廊晃茨茏寵C械臂還走進尋常百姓家中，這種對比在曾經(jīng)共同起源于實驗室的另一種機器人對比之下更為強烈。

曾經(jīng)在斯坦福大學實驗室誕生的兩種機器人，其一是有滾輪的移動機器人，其二則是機械臂，前者在如今伴隨著機器視覺、自動駕駛等技術(shù)的成熟和普及，成為掃地機器人、酒店服務機器人的核心技術(shù)，不但能夠快速落地，而且價格也可以繼續(xù)下探，但后者則由于國內(nèi)核心技術(shù)和零部件遲遲未能實現(xiàn)創(chuàng)新和技術(shù)超越，目前仍然無法做到降低成本，也就沒有能夠進入普通百姓家中的機會。

相比海外公司，中國機械臂廠商主要扎堆于中低端領(lǐng)域，缺乏核心技術(shù)，假如你在電商平臺搜索，會看到大量價格低廉但功能卻十分雞肋的機械臂產(chǎn)品，正如稚暉君在視頻中提到的那樣，這些產(chǎn)品既不適合深度開發(fā)，實用性也并不高，這或許也是讓人感到惋惜的地方。

不過，再來看稚暉君的這次項目，也能發(fā)現(xiàn)其閃光的一面，盡管在機械臂領(lǐng)域海外公司在核心技術(shù)上尤其硬件部分已經(jīng)十分成熟，但在人工智能和深度學習算法上，中國公司卻有機會能夠彎道超車，正如誰也不會想到谷歌曾經(jīng)愚人節(jié)的玩笑——無人自行車會在中國少年的手中變成現(xiàn)實，這一次的機械臂升級也讓我們看到了軟件重新定義機械的可能性，這或許才是華為“天才少年”做出這些發(fā)明的真正意義，就如任正非在今年八月的講話時談到的：

“對于2012實驗室，公司從未給過你們過多約束。比如，有人研究自行車的自動駕駛，公司沒有約束過他。我們要生產(chǎn)自行車嗎？沒有啊。這是他掌握的一把“手術(shù)刀”，或許以后會發(fā)揮什么作用，產(chǎn)生什么巨大的商業(yè)價值。”

在算法和數(shù)學影響的未來世界中，我們很有機會實現(xiàn)反超。

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