一種低成本的機(jī)器人手臂，應(yīng)用于在線機(jī)器人教育領(lǐng)域

2020 被網(wǎng)友稱為“魔幻之年”，說起魔幻現(xiàn)實(shí)主義，之前大火的斯皮爾伯格作品《頭號(hào)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體驗(yàn)，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(xiàng)專利就曾提及。

在賽博朋克式靈感降臨的時(shí)代，除了這種可穿戴式機(jī)械裝備，應(yīng)用于多領(lǐng)域的多功能機(jī)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(jī)器人手臂，應(yīng)用于在線機(jī)器人教育領(lǐng)域，使教師能夠遠(yuǎn)程演示課堂上難以講解的理論概念。關(guān)于此機(jī)器人手臂的詳細(xì)資料以論文的形式發(fā)表在了 Hardware X 上。值得一提的是，這項(xiàng)研究是完全開源的，內(nèi)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。

新冠爆發(fā)期間，機(jī)器人手臂可以用來教授在線課程

“這項(xiàng)研究始于 2020 年 3 月新冠病毒爆發(fā)期間。”進(jìn)行此研究之一的 Victor H. Benitez 表示，在學(xué)習(xí)了正運(yùn)動(dòng)學(xué)、逆運(yùn)動(dòng)學(xué)及其應(yīng)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(jī)械臂的想法，并同時(shí)作為他們機(jī)器人課程的研究項(xiàng)目。

新冠已被世衛(wèi)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(jī)構(gòu)帶來了巨大的影響，并對(duì)學(xué)生和研究人員的生命健康造成嚴(yán)重威脅。對(duì)那些需要應(yīng)用設(shè)備、協(xié)作實(shí)驗(yàn)的工科學(xué)生來說，傳染患病的風(fēng)險(xiǎn)則更大。在這種情況下，大多數(shù)教育機(jī)構(gòu)通過提供虛擬遠(yuǎn)程教育來減少感染病毒的風(fēng)險(xiǎn)。然而，實(shí)驗(yàn)室實(shí)踐所要求的實(shí)驗(yàn)很難或根本不可能在虛擬環(huán)境中實(shí)現(xiàn)。當(dāng)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(jī)械設(shè)備橫空出世。

圖 | 機(jī)器人在 SolidWorks 中的 CAD 繪制

機(jī)器人手臂可通過在線應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程操作

機(jī)械臂是一種機(jī)械手，通常可編程，具有與人類手臂類似的功能。機(jī)械手臂的連桿可以看作是一個(gè)運(yùn)動(dòng)鏈，其運(yùn)動(dòng)鏈的末端稱為末端執(zhí)行器，類似于人手。末端執(zhí)行器可設(shè)計(jì)為執(zhí)行任何所需任務(wù)，如夾持、旋轉(zhuǎn)等，具體取決于應(yīng)用。在太空中，航天飛機(jī)遙控機(jī)械手系統(tǒng)（也稱為 Canadarm 或 SSRMS）及其后續(xù)產(chǎn)品 Canadarm2 就是一種多自由度機(jī)械臂。這些機(jī)械臂已被用于執(zhí)行各種任務(wù)，例如使用端部執(zhí)行器上連接有攝像頭和傳感器的特殊部署吊桿對(duì)航天飛機(jī)貨艙的衛(wèi)星進(jìn)行部署和回收。

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

Benitez 等人設(shè)計(jì)制作的開源機(jī)器人手臂系統(tǒng)有四個(gè)主要組成部分：機(jī)械手臂結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、Wi-Fi 通信模塊和人機(jī)界面。物聯(lián)網(wǎng)機(jī)器人手臂可用于演示重要的機(jī)器人教學(xué)主題，如正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，這些主題通過使用 Denavit-Hartenberg（DH）方法編程，形成簡(jiǎn)單或復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)方式進(jìn)行操作展示。機(jī)器人系統(tǒng)的功能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)來實(shí)現(xiàn)，物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)由一個(gè)可通過 ESP32 微控制器的無線 Wi-Fi 通信裝置部署在智能手機(jī)中的 HMI 接口中。

Benitez 對(duì)此解釋說：“我們的機(jī)械臂是運(yùn)動(dòng)學(xué)的應(yīng)用。直接運(yùn)動(dòng)學(xué)應(yīng)用于使用關(guān)節(jié)角度值的矩陣來確定末端效應(yīng)器的位置。間接運(yùn)動(dòng)學(xué)則主要提供三角方程，建立長(zhǎng)度和角度之間的關(guān)系，以計(jì)算末端執(zhí)行器在空間中到達(dá)給定點(diǎn)或軌跡時(shí)，手臂關(guān)節(jié)需要移動(dòng)的路徑?！?/p>

機(jī)械臂將末端執(zhí)行器（即感興趣的對(duì)象）移動(dòng)到特定位置所需的軌跡由特定坐標(biāo)或參數(shù)函數(shù)確定。在這種情況下，末端效應(yīng)器可以是手臂試圖移動(dòng)的任何對(duì)象，例如記號(hào)筆、激光或機(jī)器人夾持器。

具體來看，該機(jī)器人手臂可以通過手機(jī)上的人機(jī)界面控制，利用 Denavit-Hartenberg 參數(shù)移動(dòng)各伺服電機(jī)的角度，得到其正運(yùn)動(dòng)學(xué)矩陣并確定其位置。此外，該接口還可以通過一個(gè)按鈕，引入機(jī)器人遵循的復(fù)制協(xié)議，通過鏈接之間的幾何關(guān)系，使用反向運(yùn)動(dòng)學(xué)復(fù)制運(yùn)動(dòng)軌跡。為了進(jìn)行演示，Benitez 團(tuán)隊(duì)選擇了以下圖案：一個(gè)圓形、一個(gè)五瓣花和一個(gè)用手畫的螺旋，并用一個(gè)開源的 MATLAB 代碼進(jìn)行處理，這樣機(jī)器人手臂就可以跟蹤它的軌跡。利用 MATLAB 對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)方程進(jìn)行測(cè)試，仿真了機(jī)器人在物理樣機(jī)中所遵循的特定尺寸和軌跡。為了使程序能夠作為一個(gè)開源項(xiàng)目訪問，并使控制器適合無線通信，Benitez 團(tuán)隊(duì)采用了與 Arduino IDE 兼容的 MATLAB 代碼。

為了讓教師和學(xué)生可以通過互聯(lián)網(wǎng)使用同一只機(jī)器人手臂進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，它還被允許連接到 WiFi，并能通過在線應(yīng)用程序進(jìn)行遠(yuǎn)程控制。此外，它所基于的程序允許用戶輕松訪問手臂運(yùn)動(dòng)背后的每個(gè)命令和參數(shù)，這可以進(jìn)一步支持學(xué)習(xí)，增強(qiáng)每個(gè)學(xué)生對(duì)機(jī)器人行為過程的理解。

圖 | 機(jī)器人的電氣圖

圖 | 機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

低成本打造，硬件成本 28.48 美元

此次開發(fā)的機(jī)器人手臂，旨在使用廉價(jià)的組件演示正運(yùn)動(dòng)學(xué)和逆運(yùn)動(dòng)學(xué)應(yīng)用。其運(yùn)動(dòng)控制是通過一個(gè)物聯(lián)網(wǎng)接口與低成本和低功耗微控制器集成來實(shí)現(xiàn)的。與其他現(xiàn)有的機(jī)械臂相比，這種機(jī)械臂具有較低的生產(chǎn)成本。

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

由于該機(jī)器人的低成本打造，其硬件成本僅有 28.48 美元。相較于它的功能來說，可以算得上物超所值了。它的鏈接是由聚乳酸長(zhǎng)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(jī)可以提高在原型中使用的組件的重量。

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(zhí)行器制造一個(gè)有用而高效的機(jī)器人是可行的。當(dāng)研究人員評(píng)估他們的機(jī)械臂時(shí)發(fā)現(xiàn)，無論是在實(shí)驗(yàn)室還是遠(yuǎn)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始使用它來更好的吸引學(xué)生，為課堂上涉及的理論主題提供切實(shí)的示范。

Benitez 說：“目前，在我們的幫助和推薦下，一個(gè)學(xué)生小組正在開發(fā)這種機(jī)器人手臂的第二個(gè)版本。他們將對(duì)機(jī)器人進(jìn)行升級(jí)，并在不犧牲其優(yōu)勢(shì)（低價(jià)格、物聯(lián)網(wǎng)集成、教育目的）的前提下提高原設(shè)計(jì)的性能和可靠性。我們的目標(biāo)是在價(jià)格和實(shí)用性之間取得平衡，使這個(gè)項(xiàng)目能夠以多種不同的方式進(jìn)行應(yīng)用。”

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