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，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)。(注：達芬奇能實現(xiàn)“葡萄皮的縫合”，而此機器人展示的縫合進入了葡萄肉，且略有延遲，請讀者不要過度高估。)

　　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(yīng)用兩部分，基礎(chǔ)功能就比如動力學控制、可更換末端效應(yīng)器、上機位交互等部分。擴展應(yīng)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(yīng)、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，是因為稚暉君設(shè)計制作了一個全新的、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。

　　作為上世紀70~80年代從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(yīng)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)?！?/p>

　　(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(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?！?/p>

　　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(wù)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——無人自行車會在稚暉君的手中變成現(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?！?/p>

　　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。