天才少年,用机械臂给葡萄做“手术”。

中国

机械臂厂商主要集群在低端领域,缺乏核心技术,但如今时代给了我们弯道超车的机会。

文|罗宁

“这个机器人的每一个环节都足够我们毕业设计了。”

“现在我终于明白为什么十个普通工程师比不上一个天才工程师了。”

四个月前,UP车主支驾驶一辆自动驾驶自行车登上热搜。经过一段时间的“封闭练习”,当他再次上传视频的时候,给我们带来了一个大大的惊喜:这一次,智打造了一个和《钢铁侠》中一样强大的机械臂假人,让很多业内人士看完之后大呼实力。

可能大家都见过机械臂。在工业领域,无论是汽车装配还是机械加工,几乎都是由机械臂操作的。在太空中,今年中国自主研发的天河空间站上也出现了大型机械臂。但是由于价格和功能的限制,我们在大多数人家里几乎看不到。那么这个智慧君自己做的机械臂有什么特别之处呢?

天才少年,用机械臂给葡萄做“手术”。

首先,这个机械臂有一种特殊而实用的交互方式。除了传统的电脑输入指令、图形相位机、手动示教等控制方式,智汇君的这款机械臂还增加了显示屏,可以直观地看到机械臂的动作,并通过无线连接进行控制。

不仅如此,他还做了更大胆的设计。他只需要自己拿着遥控器,就可以同步机器人实现各种手部动作。操作更加简单流畅,让机械臂一下子拥有了强大的动作能力。

然而,智慧君并不满足。改造后的手持遥控器带有力反馈电机,不仅可以主动控制机器人的颌部,还可以远程感受抓取物体后的抓取力。所以有了这样一个可以远程感受操纵力的装置,这个机械臂就实现了类似达芬奇机器人的“操作”能力,比如缝一颗葡萄。

天才少年,用机械臂给葡萄做“手术”。

很难想象,这个功能如此强大的机械臂,居然是智在四个月内利用业余时间制造出来的,但为什么要制造这样的机械臂呢?有哪些有意思的创新?视频中,通过智汇君分享的设计与思考的全过程,我们或许可以一窥国产机械臂领域的变化,以及此类产品更深层次的意义。

自己做一台机械臂要分几步走?

每个理工科的人可能都梦想过拥有一只机械臂,智也是如此。他的项目起点来自于他找到的一个二手机械臂。这台机器虽然体积小,但配套材料几乎为零。为了实现自己心中想要的功能,智慧君需要自己去做。他将整个过程分为三步:

第一步是功能设计。包括基本功能和扩展应用,如动态控制、可替换的末端执行器、机载机器交互等。应用包括AR数字孪生、力同步、空间运动捕捉、自主捕捉、语音控制等。所有的功能都要在基础机械臂上自己解决,相当于有了食材,但是你要自己做一个完整的菜。

第二步是理论分析。设计好函数后,不仅要从运动学上分析函数的各种参数和算法,还要用动力学来解决机械手活动中用到的各种复杂情况。理论分析的目的是在整个设计过程中“有法可依”。理论虽然枯燥,但贯穿了每一个重要环节。

第三步是技术路线。经过理论分析,将所有功能划分为具体的环节,包括机械手本体的结构设计和ID设计,闭环伺服和控制器的软硬件设计,空间定位装置的设计。只有将层层环环相扣的环节结合起来,才能达到最终的功能目标。

按照这个三步走的计划,智汇君首先要解决的是硬件层面的电机、驱动器、减速器三个核心部分的设计。

工业机器人一般采用无刷伺服电机。这种电机的优点是出色的动态响应、扭矩和精度。但考虑到其机械臂结构紧凑,智惠均采用步进电机为核心,具有极高的精度和高速低扭矩的优点,所以他还采用谐波减速器作为附件组合来增加扭矩。对于驱动部分,为了保证精度和尽量减小体积,智设计了步进电机的一体化闭环驱动。

天才少年,用机械臂给葡萄做“手术”。

在准备好电机、驱动器、减速器三个硬件部分后,智慧君开始设计机械臂的软件,这也是很重要的。智慧君提到,是整个项目中占用时间最多的软件部分。

该机械手软件的核心在于算法,包括运动学正逆解的算法和动力学模型的实现。

前者可以获得机械手各关节角度与最终末端位置之间的正反解关系,后者用于实现碰撞检测、柔性控制、机械反馈等多种功能。其中涉及大量复杂的矩阵和偏微分计算。正因为如此,机器人才能做出各种尽可能接近人类手臂的灵活动作。

此外,智汇君还设计了命令行、图形化上位机、手机APP和无线教学固件等。这还不够。为了让机械臂和自己的手同步做出各种动作,他还结合了双目摄像头、AHRS系统和华为瑞星AI计算平台,设计了可以“同步现实”的远程控制模式,甚至在主控制器中使用了基于LiteOS内核的鸿蒙系统系统,这一切都是为了让机械臂协同工作。

“这个项目表面上看起来像电子和机械,但背后都是算法和数学。”

虽然视频只有16分钟,但智慧君花了4个月时间,经历了150次修改,才造出了这个机械臂。可以说,现在他能做上面提到的各种“黑科技”操作,就是因为智慧君把一个完全不智能的二手机械臂,变成了一个全新的拥有各种智能功能的新产品。如此硬核而强大的机械臂,自然比普通机械臂更能充当他的桌面助手。

中国机械臂前路依旧漫长

明眼人可能已经发现,视频中智慧君淘到的二手机械臂来自海外的日本三菱公司,而视频中使用的谐波减速器几乎长期被海外公司垄断。

机械臂作为上世纪七八十年代从斯坦福大学的实验室中涌现出来的两种机器人形态之一,在工业机器人领域已经存在了半个多世纪,但在相关领域的核心技术上,中国与海外国家仍有不少差距。正如中国科学院院士、清华大学人工智能研究所教授张工在2021年世界机器人大会的演讲中提到的:

“国内工业机器人大多集中在低端应用。在相对复杂的多关节机器人市场,国外公司占据了国内90%以上的市场。国内工业机器人大部分只是组装,国内自主品牌的核心零部件技术还有差距。国产机器人中,80%-90%使用国外减速器,60%-70%使用国外电机,40%-50%使用国外控制器,缺乏核心零部件技术。”

天才少年,用机械臂给葡萄做“手术”。

一位长期在工业机器人领域工作的从业者也告诉光锥智能:“国产工业机器人起步较晚,现在市场上的大部分知名品牌,除了宋新,应该都是2008年以后才成立的。技术积累和四大家族三四十年的积累不一样。”

尤其是机械臂领域,在他看来,由于相关领域的硬件技术已经成熟,很难在国内发表具有较高影响力的创新性学术论文,导致该领域缺乏一流的学者来引领新技术的发展,也影响了国内机械臂行业的发展。

或许,由于国内公司未能在机械臂核心技术上实现突破,我们仍然无法让机械臂进入寻常百姓家。这种比较甚至强于另一个曾经在common descent的实验室里的机器人。

斯坦福大学的实验室里诞生了两种机器人,一种是带滚轮的移动机器人,另一种是机械臂。现在,随着机器视觉、自动驾驶等技术的成熟和普及,前者已经成为扫地机器人和酒店服务机器人的核心技术。不仅能快速落地,价格还能继续下降。但后者目前仍无法降低成本,因为国内的核心技术和零部件还未能实现创新和技术超越,因此没有机会进入寻常百姓家。

与海外公司相比,中国机器人手臂制造商主要聚集在低端领域,缺乏核心技术。如果在电商平台上搜索,会看到大量价格低廉但功能非常弱的机械臂产品。正如智惠均在视频中提到的,这些产品不适合深度开发,实用性不高,可能是一个遗憾。

但是,再看智慧君这个项目,也能发现它闪光的一面。虽然机械臂领域的海外公司在核心技术上已经非常成熟,尤其是硬件方面,但是在人工智能和深度学习算法方面,中国公司有机会弯道超车,就像没有人会想到谷歌开的愚人节,3354无人自行车的玩笑,会在中国少年手里变成现实。这次机械臂升级,也让我们看到了软件重新定义机械的可能性,这或许才是华为“天才少年”做出这些发明的真正意义,正如任郑飞在今年8月的演讲中所说:

“对于2012年的实验室,公司从来没有给过你太多的约束。比如有人研究自行车自动驾驶,公司从来没有约束过他。我们要生产自行车吗?不,这是他已经掌握的“手术刀”。说不定以后会发挥作用,产生巨大的商业价值。”

在受算法和数学影响的未来世界,我们很有机会实现超车。

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