華為天才少年稚暉君更新！自制同步現(xiàn)實(shí)機(jī)械臂、可遠(yuǎn)程做縫合手術(shù)

發(fā)布時(shí)間：2021-10-10瀏覽：2503次

天才少年，一人成伍。

稚暉君一更新，其他科技區(qū)UP主紛紛回到生活區(qū)。這算是年輕人對(duì)稚暉君的最高褒獎(jiǎng)了！

國慶期間內(nèi)，華為天才少年稚暉君送上一份大件：一人！一條龍！造了一只鋼鐵俠的機(jī)械臂！

據(jù)說這是他迄今為止的“業(yè)余項(xiàng)目”中最復(fù)雜的一個(gè)。連何同學(xué)都在評(píng)論區(qū)占據(jù)沙發(fā)：我好菜。

機(jī)械臂的名字也非常有趣——叫做Dummy，不僅致敬鋼鐵俠的機(jī)械臂笨笨，還是綁定到機(jī)械臂的末端上的“引導(dǎo)點(diǎn)”，暗含稚暉君的小心思，實(shí)在是妙哇！

這次稚暉君的項(xiàng)目，操作系統(tǒng)和 AI 計(jì)算平臺(tái)也分別都用上了華為鴻蒙和昇騰 Atlas 處理器，機(jī)身還是一抹靚麗的中國紅。

身在華為，心在中華，在彈幕大軍感嘆稚暉君軟硬件通吃的超強(qiáng)專業(yè)能力和連做四個(gè)月的高效“肝”能力的同時(shí)，還對(duì)這位天才少年的人文素養(yǎng)豎起大拇哥！

最終選定為中國紅

用B站“專業(yè)話術(shù)”說，這不得“一鍵三連”！正如稚暉君多次在B站動(dòng)態(tài)中表示：要努力成為科技和人文交叉口最靚的仔！

主業(yè)華為AI算法工程師，副業(yè)科技區(qū)UP主，這屆的博主不簡單

路人粉應(yīng)該知道，他身上的標(biāo)簽，最顯眼的“華為天才少年”。但是關(guān)注過他的人卻知道，他的標(biāo)簽，是對(duì)科技的極致熱愛。

稚暉君應(yīng)該是每一個(gè)電子愛好者所向往但是又渴望而不可及的大佬。但他表示自己不算CS科班，本科是生物醫(yī)學(xué)工程專業(yè)，研究生是信息與通信系統(tǒng)專業(yè)，18年畢業(yè)于電子科技大學(xué)，之后進(jìn)入OPPO算法崗工作，目前已經(jīng)是華為AI算法工程師。

除此之外，他還是一位技術(shù)追求極致的UP主，從一個(gè)愛好動(dòng)手的大學(xué)生分享各種硬件DIY視頻，到分享B站最強(qiáng)小電視、FOC矢量控制器、PocketLCD，自動(dòng)行駛自行車，在斜杠的路上受到眾多網(wǎng)友追捧。

用稚暉君自己的話來說，上班做AI算法研究，芯片使能軟件棧開發(fā)，DSA架構(gòu)下稀疏矩陣加速，視覺庫異構(gòu)加速之類的，但是下班做的東西對(duì)大家來說更好玩。在這款機(jī)械臂的動(dòng)態(tài)中，整整兩個(gè)月，他與粉絲一同分享機(jī)械臂的長成記錄：

8月6號(hào)預(yù)告“下一個(gè)項(xiàng)目是機(jī)械臂”

10號(hào)的與眾多網(wǎng)友報(bào)備“已出設(shè)計(jì)圖”

在這之后的一個(gè)月中，順便吐槽一下加工師傅拖慢進(jìn)度，等待的時(shí)間已經(jīng)做出小模塊

9月17號(hào)終于收到加工件，19號(hào)完成機(jī)械臂的整套閉環(huán)驅(qū)動(dòng)

10月6號(hào)全部完工，7號(hào)出視頻

網(wǎng)友驚嘆稚暉君的恐怖之處在于：一個(gè)人完成了所有細(xì)節(jié)，建模，算法，電路設(shè)計(jì)，驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)，APP開發(fā)，單拎出來足夠做個(gè)畢設(shè)了！

其知識(shí)覆蓋面并非靠普通的學(xué)業(yè)方式實(shí)現(xiàn)，被華為以天才計(jì)劃納入麾下，想必就是看中他這一點(diǎn)。在8月2日，任正非在中央研究院創(chuàng)新先鋒座談會(huì)上與部分科學(xué)家、專家、實(shí)習(xí)生的講話中說到：

對(duì)于2012實(shí)驗(yàn)室（華為的總研究組織），公司從未給過你們過多約束。比如，有人研究自行車的自動(dòng)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(huì)發(fā)揮什么作用，產(chǎn)生什么巨大的商業(yè)價(jià)值。

這個(gè)項(xiàng)目看上去是四個(gè)月的工作，實(shí)際上有之前無刷驅(qū)動(dòng)、小電視等項(xiàng)目的大量沉淀。表面上看起來是項(xiàng)目是電子和機(jī)械，背后全是算法和數(shù)學(xué)。

在項(xiàng)目背后，稚暉君自己表示，堅(jiān)持每個(gè)項(xiàng)目開源，與大家一同進(jìn)步。能夠通過一個(gè)項(xiàng)目視頻帶大家概覽某一個(gè)方向的技術(shù)，有了對(duì)該領(lǐng)域的sense和興趣之后，再激勵(lì)大家去自主學(xué)習(xí)，這相比于獨(dú)樂樂可能是更有意義的事情。

如何做出一只“緊湊”的機(jī)械臂

如何自己造一臺(tái)很酷的機(jī)械臂呢？如何在成本有限地情況下造出市面上精度最高、性能最強(qiáng)、體積最小的機(jī)械臂？

首先要解決三個(gè)問題：機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、電子系統(tǒng)、軟件系統(tǒng)。

一、機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中首先要解決的是精度問題，在機(jī)器人的硬件設(shè)計(jì)中，常說的機(jī)器人三大核心部件是電機(jī)、減速器、驅(qū)動(dòng)器。真正的工業(yè)機(jī)器人中使用的電機(jī)一般是無刷伺服電機(jī)。

無刷伺服電機(jī)不論是在動(dòng)態(tài)響應(yīng)，力矩保持，精度各方面都非常優(yōu)秀。缺點(diǎn)是驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)比較復(fù)雜，不適合用在本次這樣極其緊湊的結(jié)構(gòu)中。于是稚暉君的方案中，決定使用步行電機(jī)。這類電機(jī)的精度最高，但缺點(diǎn)在于高轉(zhuǎn)速下力矩比較小。

所以為了解決力矩的問題，一般會(huì)給電機(jī)配備減速器。減速器就是類似汽車的變速箱，是用于降低輸出的轉(zhuǎn)速，而成倍增加輸出力矩。

目前市面上的小型機(jī)械臂使用的都是行星減速器，而在本次項(xiàng)目中，使用了工業(yè)機(jī)械臂里面最常用的諧波減速。在柔性輪和波發(fā)生器的相互作用下，諧波減速器具有零背隙、高減速比，超小體積等優(yōu)點(diǎn)，非常適用本項(xiàng)目。

諧波減速器的運(yùn)行原理在電機(jī)和減速器確定后，最后是驅(qū)動(dòng)器。同樣為了保證驅(qū)動(dòng)精度以及體積的最小化，稚暉君設(shè)計(jì)了一個(gè)步行電機(jī)的一體閉環(huán)驅(qū)動(dòng)。在“第151個(gè)設(shè)計(jì)稿”上，整只機(jī)械臂一共使用了6個(gè)電機(jī)，6個(gè)諧波減速器。

同時(shí)為了保證機(jī)身強(qiáng)度和精度，機(jī)身的主體采用鋁CNC加工，而裝飾的組件則使用3D打印制作。所有的控制電路都集成在本體上且充分考慮美觀。

二、電子系統(tǒng)整套設(shè)備的電路設(shè)計(jì)相當(dāng)復(fù)雜，涉及了電源模塊、電機(jī)驅(qū)動(dòng)、計(jì)算模塊、通信系統(tǒng)等等。

實(shí)際上這臺(tái)機(jī)械臂上光各種型號(hào)的MCU就有12個(gè)，而且為了使后續(xù)的擴(kuò)展性足夠強(qiáng)，且交互方面能夠做一些很有意思的創(chuàng)新，在機(jī)體上搭載了Wifi，藍(lán)牙，2.4G等很多種無線能力。電路方面最主要的是主控制器和電機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)器，其中后者為了電機(jī)一體式的驅(qū)動(dòng)，支持CAN總線和功率機(jī)聯(lián)，所以整套系統(tǒng)將所有的6個(gè)電機(jī)以及末端執(zhí)行器連接起來，僅需要4根線。

這款驅(qū)動(dòng)器的性能可以說非常暴力，方案使用的是FOC加斬波恒流。由于添加了高精度的磁鐵編碼進(jìn)行閉環(huán)控制，所以不會(huì)存在傳統(tǒng)步金電機(jī)丟步的風(fēng)險(xiǎn)。

同時(shí)在最高轉(zhuǎn)速和效率方面，也不是3D打印機(jī)上那種驅(qū)動(dòng)器能比擬的。如果說驅(qū)動(dòng)器是心臟的話，那控制器就是機(jī)械臂的小腦了。在這個(gè)項(xiàng)目中，稚暉君使用了之前設(shè)計(jì)的機(jī)器人開發(fā)框架REF、基于Corte-M4內(nèi)核的MCU。提到這，稚暉君還是考量到后期的性能擴(kuò)展性，憑借M4自帶FPU和DSP的內(nèi)核，為后面的控制算法中實(shí)現(xiàn)涉及到的大量復(fù)雜計(jì)算，展現(xiàn)出明顯的效率提升。

另外主控制器采用冗余設(shè)計(jì)。除了主控制器REF外，還板載了一個(gè)ESP32作為協(xié)處理器。一方面作為STM32的安全備份，另一方面可以用于提供wifi藍(lán)牙等無線能力。

總之為了解決最開始提到的精度和性能問題，解決方案就是：第一，使用步進(jìn)電機(jī)加一體閉環(huán)驅(qū)動(dòng)，第二，使用0背隙的諧波減速器第三，在后續(xù)的算法實(shí)踐中進(jìn)行高精度補(bǔ)償。

三、軟件設(shè)計(jì)對(duì)于機(jī)械臂來說，最核心的軟件內(nèi)容在于運(yùn)動(dòng)學(xué)的正逆解的算法以及動(dòng)力學(xué)模型的實(shí)現(xiàn)。

前者告訴我們機(jī)械臂的每個(gè)關(guān)節(jié)角度和最終末端的位置之間的正逆解求解關(guān)系，后者則用于實(shí)現(xiàn)碰撞檢測，柔性控制，力學(xué)反饋等功能。其中涉及到大量非常復(fù)雜的矩陣和偏微分計(jì)算，也是在項(xiàng)目實(shí)現(xiàn)中花費(fèi)時(shí)間最多的部分。

而且可以選擇多種坐標(biāo)方式，比如關(guān)節(jié)坐標(biāo)、世界坐標(biāo)系、工具坐標(biāo)系等。所有的姿態(tài)結(jié)算都是在機(jī)械臂內(nèi)完成。第二種交互方式是使用命令行，通過前期設(shè)計(jì)的REF自帶的RPC框架，可以實(shí)現(xiàn)更大自由度的機(jī)械臂控制和各種參數(shù)設(shè)置。

但是前面兩種方式偏極客，對(duì)于普通人來說，圖形化才是更“陽間”的交互方式。于是也實(shí)現(xiàn)了對(duì)應(yīng)的圖形化上位機(jī)。在上位機(jī)中可以進(jìn)行傻瓜式的拖拽交互，而且是雙向交互。

也就是既可以把動(dòng)作下發(fā)給機(jī)械臂，也可以在軟件中實(shí)時(shí)同步機(jī)械臂的姿態(tài)。至此，這款機(jī)械臂才基本可以滿足絕大多數(shù)的使用需求。這就完了嗎？相比于上述方案，更優(yōu)雅的交互方式是什么呢？當(dāng)然是軟件都不用打開，所見即所得--示教系統(tǒng)！

手動(dòng)示教過程

手動(dòng)示教效果圖

回到硬件設(shè)計(jì)階段，如果合理地設(shè)置減速器的減速比，這臺(tái)機(jī)械臂就可以在保持力矩和精度的同時(shí)進(jìn)行反驅(qū)，所以獲得了一個(gè)手動(dòng)協(xié)作示教的功能。只需要手動(dòng)教它一遍運(yùn)動(dòng)的流程，它就可以自動(dòng)學(xué)習(xí)重復(fù)。手動(dòng)示教，其實(shí)是很多協(xié)作機(jī)器人都有的功能，并不算炫酷。

值得一提的是開啟示教功能的方法，整個(gè)機(jī)械臂的機(jī)身，除了一個(gè)電源按鈕，沒有別的按鍵，那么如何進(jìn)行各種功能的切換呢？一方面是通過動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行自動(dòng)檢測，另外可以通過示教器開啟。

在方案中，稚暉君設(shè)計(jì)了一個(gè)無線智能小終端，也是這臺(tái)機(jī)械臂的伴侶，它可以通過低功耗藍(lán)牙和機(jī)械臂進(jìn)行無感連接，連接之后可以實(shí)時(shí)顯示機(jī)械臂的各種狀態(tài)信息，以及切換各種功能，比如進(jìn)入示教模式。

還有別的交互方式嗎？在新方案中，是不是可以結(jié)合一些比較前沿的技術(shù)，比如AR增強(qiáng)現(xiàn)實(shí)技術(shù)，在上位機(jī)中無法展示真實(shí)的環(huán)境，實(shí)現(xiàn)指哪打哪的效果？

AR環(huán)境中的機(jī)械臂效果

當(dāng)然，只要方案可行，稚暉君就能做出來！但此時(shí)，生物學(xué)本行的稚暉君想到，機(jī)械臂和人類手臂有什么不同？人類使用機(jī)械臂最符合直覺的方式是什么？能不能設(shè)計(jì)一套系統(tǒng)，把人手臂的動(dòng)作直接同步到機(jī)械臂上面？

如何做出一只“優(yōu)雅”的機(jī)械臂？

同步現(xiàn)實(shí)！在終極方案中，稚暉君設(shè)計(jì)了一套裝置，由雙目相機(jī)、AHRS系統(tǒng)、AI算力平臺(tái)、力傳感器和力反饋裝置以及通信模組組成。

為了實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂和人手臂動(dòng)作同步，首先需要獲取準(zhǔn)確的手部位置和旋轉(zhuǎn)姿態(tài)，而這兩點(diǎn)分別由雙目相機(jī)進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、跟蹤定位，以及AHRS系統(tǒng)進(jìn)行姿態(tài)解算來實(shí)現(xiàn)。

其中涉及到的AI算法需要高效的計(jì)算平臺(tái)來承載，用是華為昇騰的Atlas邊緣計(jì)算平臺(tái)。實(shí)時(shí)位姿勢信息經(jīng)過復(fù)雜的坐標(biāo)換算，以無線的方式發(fā)送給機(jī)械臂，并由機(jī)械臂響應(yīng)執(zhí)行，這樣的交互極其絲滑。

但機(jī)械臂的實(shí)用性并不體現(xiàn)在動(dòng)一下而已， 通過在機(jī)械臂末端更換不同的效應(yīng)器，來實(shí)現(xiàn)不同的功能，完成不同任務(wù)，才是有價(jià)值的地方。

比如說安裝激光器可以三維雕刻、安裝畫筆可以書畫、安裝小型的主軸作為6軸的雕刻機(jī)，又或者最常見的，安裝夾爪完成各種通用操作。

在末端，稚暉君添加了從ps5手柄拆來的帶力反饋的微型夾爪，可以時(shí)刻得到夾爪正在抓取東西的力度。結(jié)合前面說的空間定位系統(tǒng)，又設(shè)計(jì)了一個(gè)手持控制器，包括AHRS裝置。而末端有一個(gè)紅外的LED，還可以用于雙目相機(jī)進(jìn)行輔助識(shí)別。

整個(gè)鏈條打通后的效果是，我們不僅可以把動(dòng)作實(shí)時(shí)同步到機(jī)械臂，還能在控制器這邊實(shí)時(shí)感受到機(jī)械臂末端抓取東西的質(zhì)感，這才是終極的交互形態(tài)。

機(jī)械臂縫合葡萄皮談到如何應(yīng)用，其實(shí)并不遙遠(yuǎn)。通過機(jī)械臂執(zhí)行動(dòng)作，可以達(dá)到很多人手無法達(dá)到的效果，比如可以進(jìn)行軟件去抖、運(yùn)動(dòng)范圍的重映射、力矩強(qiáng)增強(qiáng)等，更重要的是遠(yuǎn)程手術(shù)，也不再是難題。

廁所里遠(yuǎn)程手術(shù)