“這個(gè)機(jī)器人的每一個(gè)環(huán)節(jié)，拆掉都?jí)蛭覀円粋�(gè)院當(dāng)畢業(yè)設(shè)計(jì)了。”

“現(xiàn)在終于理解為什么十個(gè)普通工程師也比不上一個(gè)天才工程師了。”

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

稚輝

機(jī)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(jī)械加工，幾乎清一色都由機(jī)械臂來運(yùn)作，在太空中，今年由中國自主研制的天和號(hào)空間站上也出現(xiàn)了大型機(jī)械臂的身影。但由于價(jià)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(dòng)手造出的這臺(tái)機(jī)械臂究竟有什么特別？

首先，這臺(tái)機(jī)械臂擁有特殊且實(shí)用的交互方式。除了傳統(tǒng)的電腦輸入指令、圖形化相位機(jī)、手動(dòng)示教等方式操控外，稚暉君的這臺(tái)機(jī)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(jī)械臂動(dòng)作并控制它。

不僅如此，他還做了更大膽的設(shè)計(jì)，只需要自己手持遠(yuǎn)端控制器，就能同步機(jī)器人實(shí)現(xiàn)手部的各種動(dòng)作，操作更加簡單絲滑，一下子就讓機(jī)械臂擁有了強(qiáng)悍的動(dòng)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(dá)，不但能正向操控機(jī)器人的夾爪，還能在抓取物品后遠(yuǎn)程感受到抓取時(shí)的力度，于是，利用這樣一套能夠遠(yuǎn)程感受操控力度的裝置，這臺(tái)機(jī)械臂實(shí)現(xiàn)了類似達(dá)芬奇機(jī)器人一般強(qiáng)悍的“手術(shù)”能力，比如給葡萄做一個(gè)縫合手術(shù)。

很難想象，這個(gè)功能如此強(qiáng)大的機(jī)械臂居然是稚暉君利用業(yè)余時(shí)間，在四個(gè)月時(shí)間之內(nèi)做出來的，但為何要做這樣一臺(tái)機(jī)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(jì)和思考全過程，我們或許能從中一窺如今國內(nèi)機(jī)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(tái)機(jī)械臂要分幾步走？
每個(gè)理工男或許都?jí)粝脒^擁有一臺(tái)機(jī)械臂，稚暉君也是如此，他做這個(gè)項(xiàng)目的起點(diǎn)來自于淘到的一個(gè)二手機(jī)械臂。盡管這臺(tái)機(jī)器體型小巧，但配套資料幾乎為0，要想實(shí)現(xiàn)自己心中期望的各種功能，稚暉君需要自己動(dòng)手，他把整個(gè)過程分成三步：

第一步，功能設(shè)計(jì)。包括基礎(chǔ)功能和擴(kuò)展應(yīng)用兩部分，基礎(chǔ)功能就比如動(dòng)力學(xué)控制、可更換末端效應(yīng)器、機(jī)位交互等部分。擴(kuò)展應(yīng)用則包含AR數(shù)字孿生、力覺同步、空間動(dòng)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(jī)械臂上自行解決，這相當(dāng)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(jì)好功能之后，不但要從運(yùn)動(dòng)學(xué)分析實(shí)現(xiàn)功能的各種參數(shù)和算法，還要用動(dòng)力學(xué)去搞定機(jī)械臂在活動(dòng)中用到的各種復(fù)雜情況，做理論分析的目的是在整個(gè)設(shè)計(jì)過程中“有法可依”，理論雖然枯燥，但卻貫穿到了每一個(gè)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(jī)械臂本體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和ID設(shè)計(jì)，閉環(huán)伺服和控制器的軟件和硬件設(shè)計(jì)，以及空間定位裝置的設(shè)計(jì)，層層相扣的環(huán)節(jié)組合在一起才能實(shí)現(xiàn)最終的功能目標(biāo)。

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

一般情況下，工業(yè)機(jī)器人中采用的都是無刷伺服電機(jī)，這種電機(jī)的好處在于動(dòng)態(tài)響應(yīng)、力矩和精度上都很不錯(cuò)，但考慮到自己的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)緊湊，稚暉君采用了步進(jìn)電機(jī)作為核心，優(yōu)點(diǎn)在于精度極高，缺點(diǎn)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(dòng)部分，為了保證精度以及體積的最小化，稚暉君設(shè)計(jì)了一個(gè)步進(jìn)電機(jī)的一體閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。

在準(zhǔn)備好了電機(jī)、驅(qū)動(dòng)器、減速器三大硬件部分之后，稚暉君開始對(duì)機(jī)械臂的軟件層面展開設(shè)計(jì)，這部分同樣十分重要，稚暉君提到整個(gè)項(xiàng)目花費(fèi)時(shí)間最多的正是軟件部分。

這臺(tái)機(jī)械臂軟件核心在于算法，其中就包括運(yùn)動(dòng)學(xué)正逆解的算法和動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。

前者能夠得到機(jī)械臂的每個(gè)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(shí)現(xiàn)碰撞檢測(cè)、柔性控制、力學(xué)反饋等很多功能，這又涉及到大量復(fù)雜的矩陣和偏微分計(jì)算，正因如此，機(jī)器人才得以盡可能接近于人的手臂一樣做出各種靈活動(dòng)作。

此外，稚暉君還設(shè)計(jì)了命令行、圖形化的上位機(jī)、手機(jī)端APP以及無線示教固件等等，這還不夠，為了能夠讓機(jī)械臂和自己的手同步做出各種動(dòng)作，他還將雙目相機(jī)、AHRS系統(tǒng)、華為昇騰AI算力平臺(tái)集合在一起，設(shè)計(jì)了可以“同步現(xiàn)實(shí)”的遠(yuǎn)程操控方式，甚至還在主控制器當(dāng)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(jī)械臂運(yùn)動(dòng)自如，并便于操作，正如視頻中他自己總結(jié)的那樣：

“這個(gè)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)。”

雖然視頻只有16分鐘，但稚暉君為了造出這臺(tái)機(jī)械臂整整花了4個(gè)月時(shí)間，經(jīng)歷了150個(gè)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?yàn)橹蓵熅�把一臺(tái)二手且完全不夠智能的機(jī)械臂變成了一個(gè)全新的、附加各種智能功能的新產(chǎn)品，這樣硬核且強(qiáng)大的機(jī)械臂，自然也就比普通的機(jī)械臂更能充當(dāng)他的桌面小助手了，而從這樣一個(gè)產(chǎn)品，我們或許還能看到中國機(jī)械臂領(lǐng)域的另一面。

中國機(jī)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(jī)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(shí)間都幾乎由海外公司壟斷。

作為一種從上世紀(jì)70、80年代斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室中走出的兩種機(jī)器人形態(tài)之一，機(jī)械臂在工業(yè)機(jī)器人領(lǐng)域已經(jīng)存在半個(gè)多世紀(jì)，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(xué)院院士，清華大學(xué)人工智能研究院教授張鈸在2021年世界機(jī)器人大會(huì)演講時(shí)提到的：

“國產(chǎn)工業(yè)機(jī)器人多集中于低端應(yīng)用領(lǐng)域。相對(duì)較復(fù)雜的多關(guān)節(jié)機(jī)器人市場(chǎng)，國外公司占據(jù)國內(nèi)市場(chǎng)的90%以上份額。國內(nèi)的工業(yè)機(jī)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(jī)器人中80%-90%使用國外減速器，60-70%使用國外電機(jī)、40%-50%使用國外控制器，缺乏核心零部件技術(shù)。”

（圖自前瞻產(chǎn)業(yè)研究院）

一位長期在工業(yè)機(jī)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(jī)器人起步較晚，現(xiàn)在市場(chǎng)上叫得響的品牌，除了新松，其他絕大部分應(yīng)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(jī)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(xué)術(shù)論文，這導(dǎo)致該領(lǐng)域缺少一流學(xué)者引領(lǐng)新技術(shù)發(fā)展，也影響了國內(nèi)機(jī)械臂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。

或許，也正因國內(nèi)公司未能實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂核心技術(shù)突破，我們?nèi)缃褚廊晃茨茏寵C(jī)械臂還走進(jìn)尋常百姓家中，這種對(duì)比在曾經(jīng)共同起源于實(shí)驗(yàn)室的另一種機(jī)器人對(duì)比之下更為強(qiáng)烈。

曾經(jīng)在斯坦福大學(xué)實(shí)驗(yàn)室誕生的兩種機(jī)器人，其一是有滾輪的移動(dòng)機(jī)器人，其二則是機(jī)械臂，前者在如今伴隨著機(jī)器視覺、自動(dòng)駕駛等技術(shù)的成熟和普及，成為掃地機(jī)器人、酒店服務(wù)機(jī)器人的核心技術(shù)，不但能夠快速落地，而且價(jià)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(shí)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(jìn)入普通百姓家中的機(jī)會(huì)。

相比海外公司，中國機(jī)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(tái)搜索，會(huì)看到大量價(jià)格低廉但功能卻十分雞肋的機(jī)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(shí)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(xiàng)目，也能發(fā)現(xiàn)其閃光的一面，盡管在機(jī)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(xué)習(xí)算法上，中國公司卻有機(jī)會(huì)能夠彎道超車，正如誰也不會(huì)想到谷歌曾經(jīng)愚人節(jié)的玩笑——無人自行車會(huì)在中國少年的手中變成現(xiàn)實(shí)，這一次的機(jī)械臂升級(jí)也讓我們看到了軟件重新定義機(jī)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(shí)談到的：

“對(duì)于2012實(shí)驗(yàn)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(dòng)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(huì)發(fā)揮什么作用，產(chǎn)生什么巨大的商業(yè)價(jià)值。”

在算法和數(shù)學(xué)影響的未來世界中，我們很有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)反超。