硬核！华为天才少年手把手教你做机械臂！成本一万块以内！
大家还记得几个月前火爆全网的自动驾驶自行车吗？可谓是火出圈了！
没错，今天的主角还是那位华为天才少年-“稚晖君”，距离稚晖君上一次发视频，还是在四个月前，正如稚晖君本人所说，“稚晖君鸽的越久，说明事情越大！”
这次他带来的项目其实之前早有暗示，他希望打造一台属于自己的机械臂，那么这次他带来的作品就是他完全自己开发设计的机械臂，命名为 Dummy。
先看一张整体图：
这个配色和钢铁侠的经典红色很相似了，虽然稚晖君一直以野生钢铁侠自称，但是呢，他自己对这个配色的解释是，野生钢铁侠的作品如果要有配色的话，那就是中国红！爱国情怀拉满！
说完外观，我们直接进入主题吧，首先我们来看看细节
我们先从机械结构设计说起，结构设计中首先需要解决的是精度问题，在机器人的硬件设计中，我们常说机器人的三大核心部件，包括：电机、减速器、驱动器
真正的工业机器人中使用的是无刷伺服电机，其不管是在动态响应、力矩保持、精度等各方面都是特别优秀的，但是缺点是在其驱动系统各方面都特别复杂，不适合用在本次这样及其紧凑的集成结构中，最后稚晖君选用了步进电机
步进电机精度也是比较高的，缺点在于高转速下，力矩比较小，所以为了解决力矩的问题，我们一般都会给步进电机配备减速器，所谓减速器，就是类似汽车的变速箱，本次使用的是工业机械臂经常使用的谐波减速器
电机和减速器确定了，最后就是驱动器了，同样为了保证精度以及体积的最小化，稚晖君为此设计了一体闭环驱动器
▍结构设计驱动方案确定后，接下来就是结构设计了，稚晖君为了此次项目设计了150多个版本，整体的风格为结构紧凑，且具有科幻风，一共使用了6个步进电机和6个谐波减速器，同时为了保证机身强度和精度，机身的主题采用铝CNC加工
而装饰的组件采用3D打印制作
所有的控制电路都集成在本体上，充分保持其美观，可谓是细节拉满
▍电路系统结构介绍完了，接下来我们介绍介绍电路系统，整个电路系统还是挺复杂的，因为涉及到电源模块、电机驱动、计算模块、通信模块等等，其实这台机械臂上光信号的各种MCU就用了12个之多，而且为了使后期的扩展性足够强，且交互性方面能够做一次很有意思的创新，他在机体上搭载了wifi、蓝牙、2.4G等很多种无线能力
电路部分最重要的就是主控制器和电机伺服驱动器，也就是之前提到的一体闭环驱动器，其支持多种控制协议，并且最后把所有控制线集成起来，只需要四根线
这款驱动器的性能可以说是非常暴力了，方案使用的是FOC加斩波恒流，由于加了高精度的磁编码进行闭环控制，所有不会出现丢步问题，同时在自动转速和效率方面也不是像3D打印机上的步进电机能比的
如果说驱动器是心脏的话，那控制器就是机械臂的小脑了，稚晖君也为此自己设计了机器人框架 - REF，用在基于Cotex-M4内核的stm32F4 MCU上，除了主控制器 stm32F4，控制电路上还板载了一个 ESP32 作为协控制器，一方面作为 stm32 的安全备份，另一方面可以使其具有wifi、蓝牙等能力
以上所有的零件就备齐了：
组装完后，硬件整体出来了，中国红版的机械臂！
▍软件算法部分硬件完成啦，当然这还仅仅是开始，接下来开始注入灵魂！
对于机械臂来，最核心的软件内容在于运动学正逆解的算法，以及动力学模型的实现，其中前者告诉了我们机械臂的每个关节角度，和最终末端的位置之间的正逆解求解关系，而后者则用于现实碰撞检测、柔性控制、力学反馈等很多功能，其中设计大量计算复杂的矩阵和偏微分计算，现在看来，稚晖君这次项目涉及到的知识面包括太多了，有电子、机械、算法、数学等等。
软件部分还包括命令行和图形化的上位机，手机端的APP以及无线示教器固件等
对于机械臂的交互方式，稚晖君总共实现了7种
第一种，最简单的方式，通过串口，机械臂使用USB连上电脑，使用串口命令来控制机械臂，而且可以选择多种坐标方式，比如关节坐标系、世界坐标系、工具坐标系等等，所有的机械臂姿态都是在机械臂本体内完成的
第二种，使用命令行，通过自己设计的REF自带的RPC框架，可以实现更大自由度的机械臂控制，和各种参数设置
第三种，图形化上位机控制，我们可以在上位机中进行傻瓜式的拖拽交互，而且这个交互是双向的，即可以把动作下发给机械臂，也可以在软件中实时同步机械臂的姿态
以上几种，都基本实现了机械臂的交互控制，不过好戏才刚刚开始哦！
第四种，手动协作示教控制，只需要手动教它一边运动的流程，它就可以自动学习重复动作
还没有完，手动示教其实是很多机械臂都具有的功能，所以还不算炫酷！
第五种，机械臂当然少不了示教器啦！稚晖君为此设计了一个无线智能小终端，也是这台机械臂的伴侣，它可以通过低功耗蓝牙和机械臂进行无感连接，连接之后可以实时显示机械臂的各种状态信息，可以切换各种功能，切换控制模式
第六种，来玩点比较前沿的技术，比如说AR，结合增强显示技术，就可以实现这样的效果
你以为这就完了吗？稚晖君的宗旨就是追求完美，注意，前方高能！
第七种，同步现实，使用华为升腾的Atlas边缘计算平台，接下来实时的获取位姿信息，会进行复杂的坐标换算，通过无线的方式发送给机械臂，机械臂收到之后响应执行
事情到这里还没完，机械臂的核心能力并不只是动一下而已，可以更换不同的末端效应器，可以使机械臂实现不同的功能
稚晖君也为此设计了一个带力反馈的微型夹爪，以及一个手持控制器，并带有AHRS装置，那么就有了下面这种功能：
可能你会觉得，何必这么麻烦呢？直接用手操作，不更香吗？不不不，事情并没有那么简单，通过机械臂操作，可以进行很多人手无法达到的效果，更重要的是可以实现远程操作完成这种手术，像这样：
这样才是最终极的交互方式呀！当然，正如稚晖君所说，这台机械臂能实现的功能还有无限的潜力等待我们来发现
由于稚晖君本人工作的原因，时间也是非常有限的，以上这些项目都是他利用休息时间肝出来的，但这丝毫不影响他一个人完成一个团队的项目！他也表示，希望自己以后做的每个项目，都是迄今为止最为复杂的项目，相信这为天才少年也会继续给我们带来更令人惊叹的作品，让我们拭目以待吧！
由于篇幅原因，文章就介绍到这里了，稚晖君表示，为了方便大家学习，他本次的项目会全部开源到github，有兴趣复现的同学快去看看吧！
Github地址：
https://github.com/peng-zhihui/Dummy-Robot
视频源地址：
https://www.bilibili.com/video/BV12341117rG
图片素材：稚晖君
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