賽博朋克來敲門?墨西哥機械臂走進在線課堂

機器人在SolidWorks中的CAD繪制

2020被網友稱為“魔幻之年”，說起魔幻現實主義，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的“綠洲”世界。其中不僅有VR眼鏡提供的沉浸式視覺體驗，還有男女主角跳舞時用到的觸感手套。而這樣的交互方式已經誕生，Oculus VR的兩項專利就曾提及。

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

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

新冠爆發期間，機器人手臂可以用來教授在線課程

“這項研究始于2020年3月新冠病毒爆發期間。”進行此研究之一的Victor H.Benitez表示，在學習了正運動學、逆運動學及其應用之后，他的兩位學生提出了創建具有物聯網功能的雙連桿機械臂的想法，并同時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”，這種病毒的爆發和廣泛傳播給教育機構帶來了巨大的影響，并對學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、協作實驗的工科學生來說，傳染患病的風險則更大。在這種情況下，大多數教育機構通過提供虛擬遠程教育來減少感染病毒的風險。然而，實驗室實踐所要求的實驗很難或根本不可能在虛擬環境中實現。當理論不能聯系實際時，一種新型的、具備優秀演示教學效果的機械設備橫空出世。

機器人手臂可通過在線應用程序進行遠程操作

機械臂是一種機械手，通常可編程，具有與人類手臂類似的功能。機械手臂的連桿可以看作是一個運動鏈，其運動鏈的末端稱為末端執行器，類似于人手。末端執行器可設計為執行任何所需任務，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（也稱為Canadarm或SSRMS）及其后續產品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，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行部署和回收。

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

Benitez等人設計制作的開源機器人手臂系統有四個主要組成部分：機械手臂結構、控制系統、Wi-Fi通信模塊和人機界面。物聯網機器人手臂可用于演示重要的機器人教學主題，如正運動學和逆運動學，這些主題通過使用Denavit-Hartenberg（DH）方法編程，形成簡單或復雜的運動方式進行操作展示。機器人系統的功能通過物聯網技術來實現，物聯網技術由一個可通過ESP32微控制器的無線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：“我們的機械臂是運動學的應用。直接運動學應用于使用關節角度值的矩陣來確定末端效應器的位置。間接運動學則主要提供三角方程，建立長度和角度之間的關系，以計算末端執行器在空間中到達給定點或軌跡時，手臂關節需要移動的路徑。”

機械臂將末端執行器（即感興趣的對象）移動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的任何對象，例如記號筆、激光或機器人夾持器。

機器人的電氣圖

機器人逆運動學分析

具體來看，該機器人手臂可以通過手機上的人機界面控制，利用Denavit-Hartenberg參數移動各伺服電機的角度，得到其正運動學矩陣并確定其位置。此外，該接口還可以通過一個按鈕，引入機器人遵循的復制協議，通過鏈接之間的幾何關系，使用反向運動學復制運動軌跡。為了進行演示，Benitez團隊選擇了以下圖案：一個圓形、一個五瓣花和一個用手畫的螺旋，并用一個開源的MATLAB代碼進行處理，這樣機器人手臂就可以跟蹤它的軌跡。利用MATLAB對機器人的運動方程進行測試，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開源項目訪問，并使控制器適合無線通信，Benitez團隊采用了與ArduinoIDE兼容的MATLAB代碼。

為了讓教師和學生可以通過互聯網使用同一只機器人手臂進行實驗，它還被允許連接到WiFi，并能通過在線應用程序進行遠程控制。此外，它所基于的程序允許用戶輕松訪問手臂運動背后的每個命令和參數，這可以進一步支持學習，增強每個學生對機器人行為過程的理解。

低成本打造，硬件成本28.48美元

此次開發的機器人手臂，旨在使用廉價的組件演示正運動學和逆運動學應用。其運動控制是通過一個物聯網接口與低成本和低功耗微控制器集成來實現的。與其他現有的機械臂相比，這種機械臂具有較低的生產成本。

也就是說，Benitez和他的學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驗室外就可以輕松組裝，不需要多么先進的工具和設備，就可巧妙的展示物理環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。相較于它的功能來說，可以算得上物超所值了。它的鏈接是由聚乳酸長絲制成的，打印每個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。

Benitez和他的學生們用事實表明，使用價格合理的電子元件和執行器制造一個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發現，無論是在實驗室還是遠程，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始使用它來更好的吸引學生，為課堂上涉及的理論主題提供切實的示范。

Benitez說：“目前，在我們的幫助和推薦下，一個學生小組正在開發這種機器人手臂的第二個版本。他們將對機器人進行升級，并在不犧牲其優勢（低價格、物聯網集成、教育目的）的前提下提高原設計的性能和可靠性。我們的目標是在價格和實用性之間取得平衡，使這個項目能夠以多種不同的方式進行應用。”（摘自美《深科技》）

（編輯/克珂）