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時(shí)間:2021-10-09 08:44:26 來(lái)源: 作者:
“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(guò)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(lái)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(jiàn)過(guò),在工業(yè)領(lǐng)域,無(wú)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(lái)運(yùn)作,在太空中,今年由中國(guó)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(guò)無(wú)線連接來(lái)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(jiǎn)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(guò)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(lái)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(guò)稚暉君分享的設(shè)計(jì)和思考全過(guò)程,我們或許能從中一窺如今國(guó)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^(guò)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(lái)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(guò)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(jué)同步、空間動(dòng)作捕捉、自主抓取、語(yǔ)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(guò)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(guò)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(wú)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(wú)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(lái)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(shuō),如今能夠做到前面提到的各種各樣的“黑科技”操作,是因?yàn)橹蓵熅岩慌_(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(guó)機(jī)械臂領(lǐng)域的另一面。
中國(guó)機(jī)械臂前路依舊漫長(zhǎng)
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(lái)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(zhǎng)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(guó)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(guó)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(guó)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(guó)外公司占據(jù)國(guó)內(nèi)市場(chǎng)的90%以上份額。國(guó)內(nèi)的工業(yè)機(jī)器人絕大部分只是組裝, 國(guó)產(chǎn)自主品牌核心零部件技術(shù)尚有差距。國(guó)產(chǎn)機(jī)器人中80%-90%使用國(guó)外減速器,60-70%使用國(guó)外電機(jī)、40%-50%使用國(guó)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(zhǎng)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(guó)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(yǔ)。”
尤其是在機(jī)械臂領(lǐng)域,在他看來(lái),由于相關(guān)領(lǐng)域的硬件技術(shù)已經(jīng)較成熟,國(guó)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(guó)內(nèi)機(jī)械臂產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。
或許,也正因國(guó)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(jué)、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(guó)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(wú)法做到降低成本,也就沒(méi)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(guó)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?jī)r(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(guò),再來(lái)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(guó)公司卻有機(jī)會(huì)能夠彎道超車,正如誰(shuí)也不會(huì)想到谷歌曾經(jīng)愚人節(jié)的玩笑——無(wú)人自行車會(huì)在中國(guó)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(guò)你們過(guò)多約束。比如,有人研究自行車的自動(dòng)駕駛,公司沒(méi)有約束過(guò)他。我們要生產(chǎn)自行車嗎?沒(méi)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(lái)世界中,我們很有機(jī)會(huì)實(shí)現(xiàn)反超。