2020 被網(wǎng)友稱(chēng)為“魔幻之年”，說(shuō)起魔幻現實(shí)主義，之前大火的斯皮爾伯格作品《頭號玩家》為我們展示了虛擬即真實(shí)的“綠洲”世界。其中不僅有 VR 眼鏡提供的沉浸式視覺(jué)體驗，還有男女主角跳舞時(shí)用到的觸感手套。而這樣的交互方式已經(jīng)誕生，Oculus VR 的兩項專(zhuān)利就曾提及。

在賽博朋克式靈感降臨的時(shí)代，除了這種可穿戴式機械裝備，應用于多領(lǐng)域的多功能機械仿生裝置也備受關(guān)注。

墨西哥蒙特雷科技大學(xué)（Tecnologico de Monterrey）的學(xué)者最近發(fā)明了一種低成本的機器人手臂，應用于在線(xiàn)機器人教育領(lǐng)域，使教師能夠遠程演示課堂上難以講解的理論概念。關(guān)于此機器人手臂的詳細資料以論文的形式發(fā)表在了 Hardware X 上。值得一提的是，這項研究是完全開(kāi)源的，內部組件可以很容易地被全世界所有的教師和教育從業(yè)者組裝起來(lái)。

新冠爆發(fā)期間，機器人手臂可以用來(lái)教授在線(xiàn)課程

“這項研究始于 2020 年 3 月新冠病毒爆發(fā)期間?！边M(jìn)行此研究之一的 Victor H. Benitez 表示，在學(xué)習了正運動(dòng)學(xué)、逆運動(dòng)學(xué)及其應用之后，他的兩位學(xué)生提出了創(chuàng )建具有物聯(lián)網(wǎng)功能的雙連桿機械臂的想法，并同時(shí)作為他們機器人課程的研究項目。

新冠已被世衛組織宣布為“全球大流行”，這種病毒的爆發(fā)和廣泛傳播給教育機構帶來(lái)了巨大的影響，并對學(xué)生和研究人員的生命健康造成嚴重威脅。對那些需要應用設備、協(xié)作實(shí)驗的工科學(xué)生來(lái)說(shuō)，傳染患病的風(fēng)險則更大。在這種情況下，大多數教育機構通過(guò)提供虛擬遠程教育來(lái)減少感染病毒的風(fēng)險。然而，實(shí)驗室實(shí)踐所要求的實(shí)驗很難或根本不可能在虛擬環(huán)境中實(shí)現。當理論不能聯(lián)系實(shí)際時(shí)，一種新型的、具備優(yōu)秀演示教學(xué)效果的機械設備橫空出世。

圖 | 機器人在 SolidWorks 中的 CAD 繪制

機器人手臂可通過(guò)在線(xiàn)應用程序進(jìn)行遠程操作

機械臂是一種機械手，通?？删幊?，具有與人類(lèi)手臂類(lèi)似的功能。機械手臂的連桿可以看作是一個(gè)運動(dòng)鏈，其運動(dòng)鏈的末端稱(chēng)為末端執行器，類(lèi)似于人手。末端執行器可設計為執行任何所需任務(wù)，如夾持、旋轉等，具體取決于應用。在太空中，航天飛機遙控機械手系統（也稱(chēng)為 Canadarm 或 SSRMS）及其后續產(chǎn)品 Canadarm2 就是一種多自由度機械臂。這些機械臂已被用于執行各種任務(wù)，例如使用端部執行器上連接有攝像頭和傳感器的特殊部署吊桿對航天飛機貨艙的衛星進(jìn)行部署和回收。

機器人手臂可以是自主的，也可以手動(dòng)控制的。機械臂可以是固定的，也可以是移動(dòng)的（如輪式）。

Benitez 等人設計制作的開(kāi)源機器人手臂系統有四個(gè)主要組成部分：機械手臂結構、控制系統、Wi-Fi 通信模塊和人機界面。物聯(lián)網(wǎng)機器人手臂可用于演示重要的機器人教學(xué)主題，如正運動(dòng)學(xué)和逆運動(dòng)學(xué)，這些主題通過(guò)使用 Denavit-Hartenberg（DH）方法編程，形成簡(jiǎn)單或復雜的運動(dòng)方式進(jìn)行操作展示。機器人系統的功能通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來(lái)實(shí)現，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由一個(gè)可通過(guò) ESP32 微控制器的無(wú)線(xiàn) Wi-Fi 通信裝置部署在智能手機中的 HMI 接口中。

Benitez 對此解釋說(shuō)：“我們的機械臂是運動(dòng)學(xué)的應用。直接運動(dòng)學(xué)應用于使用關(guān)節角度值的矩陣來(lái)確定末端效應器的位置。間接運動(dòng)學(xué)則主要提供三角方程，建立長(cháng)度和角度之間的關(guān)系，以計算末端執行器在空間中到達給定點(diǎn)或軌跡時(shí)，手臂關(guān)節需要移動(dòng)的路徑?！?/p>

機械臂將末端執行器（即感興趣的對象）移動(dòng)到特定位置所需的軌跡由特定坐標或參數函數確定。在這種情況下，末端效應器可以是手臂試圖移動(dòng)的任何對象，例如記號筆、激光或機器人夾持器。

具體來(lái)看，該機器人手臂可以通過(guò)手機上的人機界面控制，利用 Denavit-Hartenberg 參數移動(dòng)各伺服電機的角度，得到其正運動(dòng)學(xué)矩陣并確定其位置。此外，該接口還可以通過(guò)一個(gè)按鈕，引入機器人遵循的復制協(xié)議，通過(guò)鏈接之間的幾何關(guān)系，使用反向運動(dòng)學(xué)復制運動(dòng)軌跡。為了進(jìn)行演示，Benitez 團隊選擇了以下圖案：一個(gè)圓形、一個(gè)五瓣花和一個(gè)用手畫(huà)的螺旋，并用一個(gè)開(kāi)源的 MATLAB 代碼進(jìn)行處理，這樣機器人手臂就可以跟蹤它的軌跡。利用 MATLAB 對機器人的運動(dòng)方程進(jìn)行測試，仿真了機器人在物理樣機中所遵循的特定尺寸和軌跡。為了使程序能夠作為一個(gè)開(kāi)源項目訪(fǎng)問(wèn)，并使控制器適合無(wú)線(xiàn)通信，Benitez 團隊采用了與 Arduino IDE 兼容的 MATLAB 代碼。

為了讓教師和學(xué)生可以通過(guò)互聯(lián)網(wǎng)使用同一只機器人手臂進(jìn)行實(shí)驗，它還被允許連接到 WiFi，并能通過(guò)在線(xiàn)應用程序進(jìn)行遠程控制。此外，它所基于的程序允許用戶(hù)輕松訪(fǎng)問(wèn)手臂運動(dòng)背后的每個(gè)命令和參數，這可以進(jìn)一步支持學(xué)習，增強每個(gè)學(xué)生對機器人行為過(guò)程的理解。

圖 | 機器人的電氣圖

圖 | 機器人逆運動(dòng)學(xué)分析

低成本打造，硬件成本 28.48 美元

此次開(kāi)發(fā)的機器人手臂，旨在使用廉價(jià)的組件演示正運動(dòng)學(xué)和逆運動(dòng)學(xué)應用。其運動(dòng)控制是通過(guò)一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)接口與低成本和低功耗微控制器集成來(lái)實(shí)現的。與其他現有的機械臂相比，這種機械臂具有較低的生產(chǎn)成本。

也就是說(shuō)，Benitez 和他的學(xué)生們制造的是一種大眾可負擔的機器人，這種機器人手臂在實(shí)驗室外就可以輕松組裝，不需要多么先進(jìn)的工具和設備，就可巧妙的展示物理環(huán)境中的復雜機器人概念。

由于該機器人的低成本打造，其硬件成本僅有 28.48 美元。相較于它的功能來(lái)說(shuō)，可以算得上物超所值了。它的鏈接是由聚乳酸長(cháng)絲制成的，打印每個(gè)鏈接所需的材料量很低。由于使用的材料量是最小的，伺服電機可以提高在原型中使用的組件的重量。

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演示理論概念的高效工具

Benitez 和他的學(xué)生們用事實(shí)表明，使用價(jià)格合理的電子元件和執行器制造一個(gè)有用而高效的機器人是可行的。當研究人員評估他們的機械臂時(shí)發(fā)現，無(wú)論是在實(shí)驗室還是遠程，它都是演示理論概念的高效工具。世界各地的教育工作者很快就可以開(kāi)始使用它來(lái)更好的吸引學(xué)生，為課堂上涉及的理論主題提供切實(shí)的示范。

Benitez 說(shuō)：“目前，在我們的幫助和推薦下，一個(gè)學(xué)生小組正在開(kāi)發(fā)這種機器人手臂的第二個(gè)版本。他們將對機器人進(jìn)行升級，并在不犧牲其優(yōu)勢（低價(jià)格、物聯(lián)網(wǎng)集成、教育目的）的前提下提高原設計的性能和可靠性。我們的目標是在價(jià)格和實(shí)用性之間取得平衡，使這個(gè)項目能夠以多種不同的方式進(jìn)行應用?！?br>


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