中國機械臂廠商主要扎堆於中低端領域，缺乏核心技術，但如今，時代給了我們一次彎道超車的機會。

文｜羅寧

“這個機器人的每一個環節，拆掉都夠我們一個院當畢業設計了。”

“現在終於理解為什麼十個普通工程師也比不上一個天才工程師了。”

四個月前，B站UP主稚暉君憑藉一輛可以自動駕駛的腳踏車登上熱搜（之前的文章連結），經過一段時間的“閉關修煉”，當他再次上傳影片時，又給我們帶來了不小驚喜：這一次，稚輝君造出了一臺如同《鋼鐵俠》裡一樣強悍的機械臂Dummy，讓不少業內人士看完直呼好強。

機械臂或許大家都見過，在工業領域，無論是汽車裝配製造還是機械加工，幾乎清一色都由機械臂來運作，在太空中，今年由中國自主研製的天和號空間站上也出現了大型機械臂的身影。但由於價格和功能限制，在大部分人家中，我們幾乎看不到它，那麼稚暉君自己動手造出的這臺機械臂究竟有什麼特別？

首先，這臺機械臂擁有特殊且實用的互動方式。除了傳統的電腦輸入指令、圖形化相位機、手動示教等方式操控外，稚暉君的這臺機械臂還加入了一塊顯示屏，可以透過無線連線來直觀看到機械臂動作並控制它。

不僅如此，他還做了更大膽的設計，只需要自己手持遠端控制器，就能同步機器人實現手部的各種動作，操作更加簡單絲滑，一下子就讓機械臂擁有了強悍的動作能力。

但稚暉君還不滿足，經過改造的手持遙控器擁有力反饋馬達，不但能正向操控機器人的夾爪，還能在抓取物品後遠端感受到抓取時的力度，於是，利用這樣一套能夠遠端感受操控力度的裝置，這臺機械臂實現了類似達芬奇機器人一般強悍的“手術”能力，比如給葡萄做一個縫合手術。

很難想象，這個功能如此強大的機械臂居然是稚暉君利用業餘時間，在四個月時間之內做出來的，但為何要做這樣一臺機械臂？又有哪些創新之處令人關注？在影片中，透過稚暉君分享的設計和思考全過程，我們或許能從中一窺如今國內機械臂領域的變化以及這類產品更深層的意義所在。

自己做一臺機械臂要分幾步走？

每個理工男或許都夢想過擁有一臺機械臂，稚暉君也是如此，他做這個專案的起點來自於淘到的一個二手機械臂。儘管這臺機器體型小巧，但配套資料幾乎為0，要想實現自己心中期望的各種功能，稚暉君需要自己動手，他把整個過程分成三步：

第一步，功能設計。包括基礎功能和擴充套件應用兩部分，基礎功能就比如動力學控制、可更換末端效應器、上機位互動等部分。擴充套件應用則包含AR數字孿生、力覺同步、空間動作捕捉、自主抓取、語音控制等部分。所有功能都要在基礎的機械臂上自行解決，這相當於有了食材，但要自己做出完整的一道菜。

第二步，理論分析。設計好功能之後，不但要從運動學分析實現功能的各種引數和演算法，還要用動力學去搞定機械臂在活動中用到的各種複雜情況，做理論分析的目的是在整個設計過程中“有法可依”，理論雖然枯燥，但卻貫穿到了每一個重要環節。

第三步，技術路線。經過理論分析後將所有功能拆分成具體的環節，其中包括機械臂本體的結構設計和ID設計，閉環伺服和控制器的軟體和硬體設計，以及空間定位裝置的設計，層層相扣的環節組合在一起才能實現最終的功能目標。

按照這個三步方案，稚暉君首先要在硬體層面依次解決電機、驅動器、減速器這三大核心部分的設計。

一般情況下，工業機器人中採用的都是無刷伺服電機，這種電機的好處在於動態響應、力矩和精度上都很不錯，但考慮到自己的機械臂結構緊湊，稚暉君採用了步進電機作為核心，優點在於精度極高，缺點在於高轉速下力矩較小，於是他又搭配了諧波減速器作為增大力矩的配件組合，至於驅動部分，為了保證精度以及體積的最小化，稚暉君設計了一個步進電機的一體閉環驅動。

在準備好了電機、驅動器、減速器三大硬體部分之後，稚暉君開始對機械臂的軟體層面展開設計，這部分同樣十分重要，稚暉君提到整個專案花費時間最多的正是軟體部分。

這臺機械臂軟體核心在於演算法，其中就包括運動學正逆解的演算法和動力學模型的實現。

前者能夠得到機械臂的每個關節角度和最終末端位置之間的正逆解求解關係，後者則用於實現碰撞檢測、柔性控制、力學反饋等很多功能，這又涉及到大量複雜的矩陣和偏微分計算，正因如此，機器人才得以儘可能接近於人的手臂一樣做出各種靈活動作。

此外，稚暉君還設計了命令列、圖形化的上位機、手機端APP以及無線示教韌體等等，這還不夠，為了能夠讓機械臂和自己的手同步做出各種動作，他還將雙目相機、AHRS系統、華為昇騰AI算力平臺集合在一起，設計了可以“同步現實”的遠端操控方式，甚至還在主控制器當中使用了基於LiteOS核心的鴻蒙系統，而這一切都是為了能夠讓機械臂運動自如，並便於操作，正如影片中他自己總結的那樣：

“這個專案表面上看起來是電子和機械，其實背後全是演算法和數學。”

雖然影片只有16分鐘，但稚暉君為了造出這臺機械臂整整花了4個月時間，經歷了150個版本的修改，可以說，如今能夠做到前面提到的各種各樣的“黑科技”操作，是因為稚暉君把一臺二手且完全不夠智慧的機械臂變成了一個全新的、附加各種智慧功能的新產品，這樣硬核且強大的機械臂，自然也就比普通的機械臂更能充當他的桌面小助手了，而從這樣一個產品，我們或許還能看到中國機械臂領域的另一面。

中國機械臂前路依舊漫長

明眼人或許發現了，影片中稚暉君淘到的二手機械臂，來自於海外日本三菱公司，而影片中使用到的諧波減速器，在很長一段時間都幾乎由海外公司壟斷。

作為一種從上世紀70、80年代斯坦福大學實驗室中走出的兩種機器人形態之一，機械臂在工業機器人領域已經存在半個多世紀，但中國在相關領域的核心技術上依舊和海外有不少差距。正如中國科學院院士，清華大學人工智慧研究院教授張鈸在2021年世界機器人大會演講時提到的：

“國產工業機器人多集中於低端應用領域。相對較複雜的多關節機器人市場，國外公司佔據國內市場的90%以上份額。國內的工業機器人絕大部分只是組裝， 國產自主品牌核心零部件技術尚有差距。國產機器人中80%-90%使用國外減速器，60-70%使用國外電機、40%-50%使用國外控制器，缺乏核心零部件技術。”

（圖自前瞻產業研究院）

尤其是在機械臂領域，在他看來，由於相關領域的硬體技術已經較成熟，國內很難發表有較高影響力的創新型學術論文，這導致該領域缺少一流學者引領新技術發展，也影響了國內機械臂產業的發展。

或許，也正因國內公司未能實現機械臂核心技術突破，我們如今依然未能讓機械臂還走進尋常百姓家中，這種對比在曾經共同起源於實驗室的另一種機器人對比之下更為強烈。

曾經在斯坦福大學實驗室誕生的兩種機器人，其一是有滾輪的移動機器人，其二則是機械臂，前者在如今伴隨著機器視覺、自動駕駛等技術的成熟和普及，成為掃地機器人、酒店服務機器人的核心技術，不但能夠快速落地，而且價格也可以繼續下探，但後者則由於國核心心技術和零部件遲遲未能實現創新和技術超越，目前仍然無法做到降低成本，也就沒有能夠進入普通百姓家中的機會。

相比海外公司，中國機械臂廠商主要扎堆於中低端領域，缺乏核心技術，假如你在電商平臺搜尋，會看到大量價格低廉但功能卻十分雞肋的機械臂產品，正如稚暉君在影片中提到的那樣，這些產品既不適合深度開發，實用性也並不高，這或許也是讓人感到惋惜的地方。

不過，再來看稚暉君的這次專案，也能發現其閃光的一面，儘管在機械臂領域海外公司在核心技術上尤其硬體部分已經十分成熟，但在人工智慧和深度學習演算法上，中國公司卻有機會能夠彎道超車，正如誰也不會想到谷歌曾經愚人節的玩笑——無人腳踏車會在中國少年的手中變成現實，這一次的機械臂升級也讓我們看到了軟體重新定義機械的可能性，這或許才是華為“天才少年”做出這些發明的真正意義，就如任正非在今年八月的講話時談到的：

“對於2012實驗室，公司從未給過你們過多約束。比如，有人研究腳踏車的自動駕駛，公司沒有約束過他。我們要生產腳踏車嗎？沒有啊。這是他掌握的一把“手術刀”，或許以後會發揮什麼作用，產生什麼巨大的商業價值。”

在演算法和數學影響的未來世界中，我們很有機會實現反超。