2020年被網(wǎng)友稱為魔法年。說到魔幻現(xiàn)實主義，斯皮爾伯格之前的熱門作品《頭號玩家》向我們展示了虛擬真實的綠洲世界。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使用的觸覺手套。這樣的交互方式已經(jīng)誕生，正如Oculus VR 的兩項專利中提到的那樣。

在賽博朋克靈感時代，除了可穿戴機械設備，應用于多個領域的多功能機械仿生裝置也備受關注。

墨西哥蒙特雷科技學院的學者最近發(fā)明了一種低成本機器人手臂，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解釋的理論概念。有關機械臂的詳細信息發(fā)表在Hardware X的一篇論文中。值得一提的是，這項研究完全開源，內(nèi)部組件可以由世界各地的所有教師和教育從業(yè)者輕松組裝。

在冠狀病毒爆發(fā)期間，機器人手臂可用于在線教學

該研究于2020 年3 月冠狀病毒爆發(fā)期間開始。進行其中一項研究的Victor H. Benitez 表示，在學習了正向運動學、逆向運動學及其應用后，他的兩個學生提出了創(chuàng)建具有物聯(lián)網(wǎng)功能的雙連桿機械臂的想法，同時作為他們機器人課程的研究項目。

世界衛(wèi)生組織已宣布COVID-19 為全球大流行病。病毒的爆發(fā)和廣泛傳播給教育機構(gòu)帶來巨大影響，對學生和研究人員的生命和健康構(gòu)成嚴重威脅。對于那些需要應用設備、協(xié)作實驗的工科學生來說，感染的風險就更大了。在這種情況下，大多數(shù)教育機構(gòu)正在通過提供虛擬遠程教育來降低感染病毒的風險。然而，實驗室實踐需要的實驗很難或不可能在虛擬環(huán)境中實施。當理論無法與實踐結(jié)合時，一種具有優(yōu)良演示和教學效果的新型機械設備應運而生。

圖| SolidWorks 中機器人的CAD 繪圖

機械臂可通過在線應用程序遠程操作

機械臂是通?？删幊痰臋C械手，具有與人臂相似的功能。機械臂的連桿可以看作是運動鏈，運動鏈的末端稱為末端執(zhí)行器，類似于人的手。末端執(zhí)行器可設計用于執(zhí)行任何所需的任務，例如夾緊、旋轉(zhuǎn)等，具體取決于應用。在太空中，航天飛機遠程操作機械手系統(tǒng)（也稱為Canadaarm 或SSRMS）及其后續(xù)產(chǎn)品Canadarm2 是多自由度機械手。這些機械臂已用于執(zhí)行各種任務，例如使用末端執(zhí)行器上安裝有攝像機和傳感器的特殊部署吊桿從航天飛機的貨艙部署和回收衛(wèi)星。

機械臂可以是自主控制的，也可以是手動控制的。機械臂可以是固定的或移動的（例如輪式）。

Benitez等人設計生產(chǎn)的開源機械臂系統(tǒng)。主要由四個部分組成：機械臂結(jié)構(gòu)、控制系統(tǒng)、Wi-Fi通信模塊和人機界面。物聯(lián)網(wǎng)機械臂可用于演示重要的機器人教學主題，例如正向運動學和逆向運動學，這些主題使用Denavit-Hartenberg (DH) 方法進行編程，以形成用于演示操作的簡單或復雜的運動模式。機器人系統(tǒng)的功能通過物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)實現(xiàn)，該技術(shù)通過ESP32 微控制器通過無線Wi-Fi 通信設備部署在智能手機的HMI 界面中。

貝尼特斯解釋道：我們的機械臂是運動學的應用。應用直接運動學來使用關節(jié)角度值矩陣來確定末端執(zhí)行器的位置。間接運動學主要提供三角方程建立長度和角度的關系來計算末端執(zhí)行器到達空間中給定點或軌跡時手臂關節(jié)需要運動的路徑。

機械臂將末端執(zhí)行器（即感興趣的物體）移動到特定位置所需的軌跡由特定的坐標或參數(shù)函數(shù)確定。在這種情況下，末端執(zhí)行器可以是手臂試圖移動的任何物體，例如標記器、激光或機器人夾具。

具體來說，可以通過手機上的人機界面控制機械臂，利用Denavit-Hartenberg參數(shù)移動每個伺服電機的角度，獲得其正向運動學矩陣并確定其位置。此外，界面還可以通過按鈕引入機器人遵循的復制協(xié)議，通過鏈接運動軌跡之間的幾何關系，使用逆運動學復制運動軌跡。在演示中，貝尼特斯的團隊選擇了以下圖案：圓形、五瓣花和手繪螺旋，并使用開源MATLAB 代碼對其進行處理，以便機械臂能夠跟蹤其軌跡。使用MATLAB 測試機器人的運動方程，模擬機器人在物理原型中遵循的特定尺寸和軌跡。為了使該程序作為開源項目進行訪問并使控制器適合無線通信，Benitez 團隊采用了與Arduino IDE 兼容的MATLAB 代碼。

為了讓教師和學生能夠通過互聯(lián)網(wǎng)使用同一個機械臂進行實驗，還可以連接WiFi并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(shù)，這可以進一步支持學習并增強每個學生對機器人行為過程的理解。

圖|機器人電氣圖

圖|機器人逆運動學分析

構(gòu)建成本低，硬件成本28.48 美元

此次開發(fā)的機械臂旨在展示使用廉價組件的正向運動學和逆向運動學的應用。其運動控制是通過集成了低成本、低功耗微控制器的物聯(lián)網(wǎng)接口實現(xiàn)的。與現(xiàn)有的其他機械臂相比，該機械臂的生產(chǎn)成本較低。

換句話說，貝尼特斯和他的學生正在建造一種價格實惠的機器人，可以在實驗室外輕松組裝，不需要先進的工具和設備，并且可以巧妙地顯示物理環(huán)境。中的復雜機器人概念。

由于建造該機器人的成本較低，其硬件成本僅為28.48美元。相對于它的功能來說，也算是物超所值了。它的鏈接由聚乳酸長絲制成，打印每個鏈接所需的材料量很少。由于使用的材料量最少，伺服電機可能會增加原型中使用的組件的重量。

展示理論概念的有效工具

貝尼特斯和他的學生已經(jīng)證明，使用價格實惠的電子元件和執(zhí)行器可以制造出有用且高效的機器人。當研究人員評估他們的機械臂時，他們發(fā)現(xiàn)它是在實驗室和遠程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地吸引學生，并提供課堂上涵蓋的理論主題的實際演示。

貝尼特斯說，目前，一個學生團隊正在我們的幫助和建議下開發(fā)這種機械臂的第二個版本。他們將升級機器人并提高原始設計的性能和可靠性，而不犧牲其優(yōu)勢（低價、物聯(lián)網(wǎng)集成、教育目的）。我們的目標是在價格和實用性之間取得平衡，以便該項目可以以多種不同的方式應用。