硬核！華為天才少年手把手教你做機械臂！成本一萬塊以内！
大家還記得幾個月前火爆全網的自動駕駛自行車嗎？可謂是火出圈了！
沒錯，今天的主角還是那位華為天才少年-“稚晖君”，距離稚晖君上一次發視頻，還是在四個月前，正如稚晖君本人所說，“稚晖君鴿的越久，說明事情越大！”
這次他帶來的項目其實之前早有暗示，他希望打造一台屬于自己的機械臂，那麼這次他帶來的作品就是他完全自己開發設計的機械臂，命名為 Dummy。
先看一張整體圖：
這個配色和鋼鐵俠的經典紅色很相似了，雖然稚晖君一直以野生鋼鐵俠自稱，但是呢，他自己對這個配色的解釋是，野生鋼鐵俠的作品如果要有配色的話，那就是中國紅！愛國情懷拉滿！
說完外觀，我們直接進入主題吧，首先我們來看看細節
我們先從機械結構設計說起，結構設計中首先需要解決的是精度問題，在機器人的硬件設計中，我們常說機器人的三大核心部件，包括：電機、減速器、驅動器
真正的工業機器人中使用的是無刷伺服電機，其不管是在動态響應、力矩保持、精度等各方面都是特别優秀的，但是缺點是在其驅動系統各方面都特别複雜，不适合用在本次這樣及其緊湊的集成結構中，最後稚晖君選用了步進電機
步進電機精度也是比較高的，缺點在于高轉速下，力矩比較小，所以為了解決力矩的問題，我們一般都會給步進電機配備減速器，所謂減速器，就是類似汽車的變速箱，本次使用的是工業機械臂經常使用的諧波減速器
電機和減速器确定了，最後就是驅動器了，同樣為了保證精度以及體積的最小化，稚晖君為此設計了一體閉環驅動器
▍結構設計驅動方案确定後，接下來就是結構設計了，稚晖君為了此次項目設計了150多個版本，整體的風格為結構緊湊，且具有科幻風，一共使用了6個步進電機和6個諧波減速器，同時為了保證機身強度和精度，機身的主題采用鋁CNC加工
而裝飾的組件采用3D打印制作
所有的控制電路都集成在本體上，充分保持其美觀，可謂是細節拉滿
▍電路系統結構介紹完了，接下來我們介紹介紹電路系統，整個電路系統還是挺複雜的，因為涉及到電源模塊、電機驅動、計算模塊、通信模塊等等，其實這台機械臂上光信号的各種MCU就用了12個之多，而且為了使後期的擴展性足夠強，且交互性方面能夠做一次很有意思的創新，他在機體上搭載了wifi、藍牙、2.4G等很多種無線能力
電路部分最重要的就是主控制器和電機伺服驅動器，也就是之前提到的一體閉環驅動器，其支持多種控制協議，并且最後把所有控制線集成起來，隻需要四根線
這款驅動器的性能可以說是非常暴力了，方案使用的是FOC加斬波恒流，由于加了高精度的磁編碼進行閉環控制，所有不會出現丢步問題，同時在自動轉速和效率方面也不是像3D打印機上的步進電機能比的
如果說驅動器是心髒的話，那控制器就是機械臂的小腦了，稚晖君也為此自己設計了機器人框架 - REF，用在基于Cotex-M4内核的stm32F4 MCU上，除了主控制器 stm32F4，控制電路上還闆載了一個 ESP32 作為協控制器，一方面作為 stm32 的安全備份，另一方面可以使其具有wifi、藍牙等能力
以上所有的零件就備齊了：
組裝完後，硬件整體出來了，中國紅版的機械臂！
▍軟件算法部分硬件完成啦，當然這還僅僅是開始，接下來開始注入靈魂！
對于機械臂來，最核心的軟件内容在于運動學正逆解的算法，以及動力學模型的實現，其中前者告訴了我們機械臂的每個關節角度，和最終末端的位置之間的正逆解求解關系，而後者則用于現實碰撞檢測、柔性控制、力學反饋等很多功能，其中設計大量計算複雜的矩陣和偏微分計算，現在看來，稚晖君這次項目涉及到的知識面包括太多了，有電子、機械、算法、數學等等。
軟件部分還包括命令行和圖形化的上位機，手機端的APP以及無線示教器固件等
對于機械臂的交互方式，稚晖君總共實現了7種
第一種，最簡單的方式，通過串口，機械臂使用USB連上電腦，使用串口命令來控制機械臂，而且可以選擇多種坐标方式，比如關節坐标系、世界坐标系、工具坐标系等等，所有的機械臂姿态都是在機械臂本體内完成的
第二種，使用命令行，通過自己設計的REF自帶的RPC框架，可以實現更大自由度的機械臂控制，和各種參數設置
第三種，圖形化上位機控制，我們可以在上位機中進行傻瓜式的拖拽交互，而且這個交互是雙向的，即可以把動作下發給機械臂，也可以在軟件中實時同步機械臂的姿态
以上幾種，都基本實現了機械臂的交互控制，不過好戲才剛剛開始哦！
第四種，手動協作示教控制，隻需要手動教它一邊運動的流程，它就可以自動學習重複動作
還沒有完，手動示教其實是很多機械臂都具有的功能，所以還不算炫酷！
第五種，機械臂當然少不了示教器啦！稚晖君為此設計了一個無線智能小終端，也是這台機械臂的伴侶，它可以通過低功耗藍牙和機械臂進行無感連接，連接之後可以實時顯示機械臂的各種狀态信息，可以切換各種功能，切換控制模式
第六種，來玩點比較前沿的技術，比如說AR，結合增強顯示技術，就可以實現這樣的效果
你以為這就完了嗎？稚晖君的宗旨就是追求完美，注意，前方高能！
第七種，同步現實，使用華為升騰的Atlas邊緣計算平台，接下來實時的獲取位姿信息，會進行複雜的坐标換算，通過無線的方式發送給機械臂，機械臂收到之後響應執行
事情到這裡還沒完，機械臂的核心能力并不隻是動一下而已，可以更換不同的末端效應器，可以使機械臂實現不同的功能
稚晖君也為此設計了一個帶力反饋的微型夾爪，以及一個手持控制器，并帶有AHRS裝置，那麼就有了下面這種功能：
可能你會覺得，何必這麼麻煩呢？直接用手操作，不更香嗎？不不不，事情并沒有那麼簡單，通過機械臂操作，可以進行很多人手無法達到的效果，更重要的是可以實現遠程操作完成這種手術，像這樣：
這樣才是最終極的交互方式呀！當然，正如稚晖君所說，這台機械臂能實現的功能還有無限的潛力等待我們來發現
由于稚晖君本人工作的原因，時間也是非常有限的，以上這些項目都是他利用休息時間肝出來的，但這絲毫不影響他一個人完成一個團隊的項目！他也表示，希望自己以後做的每個項目，都是迄今為止最為複雜的項目，相信這為天才少年也會繼續給我們帶來更令人驚歎的作品，讓我們拭目以待吧！
由于篇幅原因，文章就介紹到這裡了，稚晖君表示，為了方便大家學習，他本次的項目會全部開源到github，有興趣複現的同學快去看看吧！
Github地址：
https://github.com/peng-zhihui/Dummy-Robot
視頻源地址：
https://www.bilibili.com/video/BV12341117rG
圖片素材：稚晖君
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