华为天才少年自制机械臂!能给葡萄缝针的那种,成本1万块,网友:能把脑子开源一下?

2021
10/12

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‍‍ 这样的野生钢铁侠机械臂,究竟是怎么“炼成”的? 

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这样的野生钢铁侠机械臂,究竟是怎么“炼成”的? 

来源:量子位 作者:金磊,萧萧

大多数人的国庆假期就是躺着过,而别人的国庆节,则是 硬生生造了一只钢铁侠的机械臂! 依旧是来自华为天才少年 稚晖君 ,还是他迄今为止搞的项目中,最复杂的那种。 来吧,展示——给 葡萄缝针

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在“葡萄包扎术”后,原本裂开小口的它,变成了这个样子:

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划个重点: 上面的所有过程,可以在厕所  远程、实时  完成!

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它的名字也非常有趣——叫做Dummy。 但毕竟头顶着 “B站野生钢铁侠” 光环的稚晖君,都说这是自己最复杂的项目(耗时4个月),硬核程度定然不仅于此。 真实情况是——这台机械臂, 里里外外全部 出自稚晖君之手!

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(模友们,又是被稚晖君破防的一天) 于是乎,很自然的,弹幕再次被网友刷疯,来感受一下这个feel(满屏的“国粹”): 6731633995531046 

甚至连行内人都发出了惊叹:

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(注:本文内容已经过稚晖君授权)    

  真正的机械臂该有的样子

稚晖君想要打造的机械臂,是具备多种交互方式的。

例如把刚才机械臂的末端,换成 “力反馈夹爪” ,就秒变成了可以夹薯片的机械臂: 60261633995531907

除了“力反馈夹爪”,若是换成不同效应器,那可以实现的结果也会不同:

  • 安装“激光器”,就可以实现三维雕刻

  • 安装“画笔”,就可以进行书画

  • 安装小型的“主轴”,可以作为6轴的雕刻机

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而上面展示的这一切,均是—— 同步现实! 除此之外,稚晖君还做了许多不同的交互方式。 例如结合比较前沿的技术, 增强现实 (AR) ——真正的“指哪打哪”了。 还有通过 示教器 来开启的方式。 而这个示教器也是出自稚晖君之手,用他的话来说就是: 有我的地方就有屏幕。 87861633995533211 

这便是稚晖君设计的无线智能小终端,也是这台机械臂的“伴侣”了。 它可以通过低功耗蓝牙和机械臂进行无感连接,而在连接之后,就可以实时显示机械臂的各种状态信息、切换各种功能了。 当然,稚晖君也做了较为“阳间”的 图形化 方式。 54191633995533918 

而较为极客的2两种方法:通过 串口命令行 ,也有的哈。 61041633995534057 这样的野生钢铁侠机械臂,究竟是怎么“炼成”的?     如何打造钢铁侠的机械臂?

这台看起来很酷炫的“手子”,属于小型高精度6轴机械臂。

整体来说,机械臂的打造主要分为四大部分:机械臂设计、闭环伺服、控制器和空间定位装置,分别对应机器人的躯干、心脏、小脑和眼睛。 机械臂设计, 指机械臂的 “躯干” ,让机械臂能稳定运动的必要步骤,包括机械分析、外观设计(3D建模)、选材等。 当然,这里的设计并不那么容易。光是版本稿,就多达 150多版65421633995534182 

为了确保稳定+便宜美观,最后的机械臂主体采用了铝CNC(数控)加工(确保稳定),装饰再采用3D打印进行制作(节省成本)。 其中,CNC部分是稚晖君拜托“家里有厂”的UP主@XIKII拆机狂魔你西哥 帮忙制作的,全部的8个金属件一共耗时半个月:

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最后的外观设计出来,是酱婶的(中国红&钢铁侠红),别说还挺好看:

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闭环伺服 ,也就是机械臂的 “心脏” ,用来提供让机械臂干活的动力。 具体来说,软件上包括FOC算法、绝对值编码器&PID算法,CAN总线通信协议等部分,硬件上,除了电机等材料的选用,还包括散热等细节。 通常来说,机械臂会采用无刷伺服电机,但这里它的体积确实比较大。 由于稚晖君想做比较小巧的机械臂,所以最后采用了 步进电机 ,搭配0背隙 谐波减速器 ,单个驱动效果做出来是这个样子的:

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既然是6轴,最后整体采用了6个步进电机+6个谐波减速器,搭配软件设计构成了机械臂的“心脏”。 控制器, 指机械臂的 “小脑” ,用来操控机械臂的动作、来实现各种功能。 除了原理上需要掌握运动学、动力学分析以外,在软硬件上还需要掌握电路设计、通信和电源管理等额外的“斜杠”技能。 事实上,光是微控制单元(MCU),这台机械臂上就多达12个。 其中,主控制器(采用冗余设计)和电机伺服驱动器(支持CAN总线&功率机联)的设计如下: 69991633995536164 

至于电路设计,也比想象中要更加复杂,毕竟要想达到上述“多控制”功能的话,除了命令行控制以外,蓝牙、无线通信的相关软硬件也需要进行考虑。 没错,除了有线控制以外,蓝牙、WiFi、2.4G同样能控制这台机械臂~

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最后就是 空间定位装置 了,也就是机械臂的 “眼睛” ,用来让机械臂“看见”、并操作需要完成的任务。 这里面包括我们常见的双目视觉算法、AHRS系统和力传感系统等,都在这一步完成。 没错,稚晖君设计的机械臂并非只能做“输入任务并完成”的简单操作,而是一台真正能够从多个角度接收任务、并实时处理的“智能机械手”。 简单来说,就是用双目视觉算法识别,再用AI算法实现姿态估计之类的操作:

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搭载到机械臂上后,“手子”就能根据人的动作,完成一系列复杂的操作(控制器改自PS5手柄): 61411633995537243 

当然,经过软件去抖、运动范围重映射、力矩强增强等操作后,机械臂能完成比手精度更高的操作(手抖玩家福音)。 最后,就是将这几部分的软件算法和硬件组装起来,进行调试:

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最后的成品效果是这样的,非常灵动:

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那么,这台机械臂究竟能达到一个什么水平呢?       

成本控制在1万以内

众所周知,机械臂的价格会随着精度的提升蹭蹭上涨。

一台质量比较好的、精度为0.6mm的工业6轴机械臂,价格会达到 几万元 左右,而精度在0.02mm左右的四大家族的工业机械臂,价格单位则直接涨到了 几万美元 。 从稚晖君测试结果来看,精度为0.01mm的百分表,进行末端重复精度测量,精度直接达到了 0.02mm左右39921633995539171 

这样的精度,按理说机器人的价格也不菲。 然而,据稚晖君表示,Dummy的整体硬件成本,计算下来 不到1万元! 当然,稚晖君也适当地节省了成本,包括谐波减速器和机械臂本体,就都是 二手 的(如果是全新的硬件,成本可能需要2万元左右)。 除此之外,据稚晖君表示,这台机械臂本身体积也很小,所以运动范围和精度也相应变小和变高了(目前市面上应该是没有体积这么小、精度这么高的机械臂)。 这样的机械臂,究竟可以用在哪里呢? 大胆想象一下,未来如果继续提升精度,远程手术也未尝不可:

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还有网友更具体地设想了一下使用场景: 即使在偏远的地方,各地大医院的医生也能通过远程手术,同步实现救人;或是利用智能程序设定,实现简单的缝皮等操作,为医生节省更多时间。 30101633995539737 

对于项目本身,有网友调侃“开源一下脑子”: 79151633995539823 也有一些科技区UP的梦幻联动(手动狗头): 25161633995539889 

当然,我们也知道,稚晖君已经于去年年底加入了“华为天才少年”。 而这次稚晖君的项目,操作系统和AI计算平台也分别都用上了 华为鸿蒙昇腾Atlas处理器38701633995539967 

就在8月2日, 任正非 还在题为「江山代有才人出」的演讲中表扬了稚晖君的项目,指出这是华为创新的动力: 但对于2012实验室,公司从未给过你们过多约束。比如,有人研究自行车的自动驾驶,公司没有约束过他。 我们要生产自行车吗?没有啊。这是他掌握的一把“手术刀”,或许以后会发挥什么作用,产生什么巨大的商业价值。 接下来,稚晖君计划将项目进行整理后开源,目前已经在GitHub上放了一个坑。 对自制机械臂感兴趣的小伙伴,可以不定期去蹲一蹲了~

  全文完,如果觉得写得不错,就点个赞和在看吧,多谢阅读! ‍ ‍

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关键词:
机械,稚晖,进行,精度,最后

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