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一套機(jī)械臂系統(tǒng)引發(fā)的思考?

想讓機(jī)器人與人類配合無(wú)間，或許是機(jī)器人領(lǐng)域里最難做的事了。

近日，來(lái)自加拿大舍布魯克大學(xué)的研究人員開(kāi)發(fā)出了一種固定在腰間的機(jī)械臂系統(tǒng)，它可以幫助你完成多種任務(wù)。

包括：采摘果實(shí)、刷墻、擦玻璃、遞送工具，甚至還有打羽毛球。

在探討機(jī)械手對(duì)人們的用途時(shí)，無(wú)論是額外的手指還是一個(gè)或兩個(gè)額外的機(jī)械臂，其功能都常限于緩慢移動(dòng)的輕量級(jí)任務(wù)。這些任務(wù)往往是持有或攜帶物體，穩(wěn)定物體或使用者等等。但人們想要的并不只是如此，而是能讓我們變成像漫威漫畫里的超級(jí)英雄一樣的可穿戴機(jī)械臂。

這種類型的可穿戴機(jī)械臂被稱為額外機(jī)械臂（supernumerary robotic arm）。本研究的系統(tǒng)有 3 個(gè)自由度，由磁流變離合器和靜液壓傳動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)。

其目標(biāo)是在眾多工業(yè)和家庭應(yīng)用中實(shí)現(xiàn)如人類手臂一樣的性能。液壓系統(tǒng)會(huì)提供相對(duì)較大的動(dòng)力，但是動(dòng)力系統(tǒng)本身是通過(guò)線纜和使用者連接的，在最大程度上減少了使用者穿戴的質(zhì)量（保證手臂的慣性較小），同時(shí)還略微限制了移動(dòng)性。

機(jī)械臂的 Demo 視頻具體參見(jiàn)：

看到這里，有些朋友就會(huì)比較關(guān)心：

此種復(fù)雜的機(jī)械臂控制系統(tǒng)到底如何開(kāi)發(fā)，如何設(shè)計(jì)？

?02

與機(jī)器人相關(guān)的系統(tǒng)開(kāi)發(fā)流程

如果我們想學(xué)，如何入手？

一般來(lái)說(shuō)，在機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，開(kāi)發(fā)流程可分為以下幾個(gè)步驟：

從上述開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以看到做機(jī)器人開(kāi)發(fā)，不僅僅是算法，還牽扯到軟硬件開(kāi)發(fā)以及系統(tǒng)聯(lián)調(diào)。

大家或多或少都應(yīng)該有這種體驗(yàn)，牽扯到結(jié)構(gòu)、硬件等實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)，哪怕電路足夠簡(jiǎn)單，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)足夠完美，一旦需要做成實(shí)際的東西，可能就會(huì)遇見(jiàn)一些bug。

人非圣賢、孰能無(wú)過(guò)，引入bug不可怕，能否盡早發(fā)現(xiàn)bug對(duì)整個(gè)開(kāi)發(fā)過(guò)程至關(guān)重要。

找出bug后，再修改設(shè)計(jì)方案，重新設(shè)計(jì)，可能就會(huì)有樣機(jī)一代、二代、三代。。。多次迭代才能做出效果能過(guò)得去的機(jī)器人系統(tǒng)。

隨即而來(lái)的，浪費(fèi)時(shí)間成本、資金成本等。

同時(shí)，從開(kāi)發(fā)過(guò)程中，可以看出整個(gè)設(shè)計(jì)流程比較線性化，即完成前一步，才能進(jìn)行后一步。機(jī)器人設(shè)計(jì)一般牽扯到多人合作，設(shè)計(jì)流程線性化，也會(huì)影響開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)。

比如：我們?cè)谠O(shè)計(jì)機(jī)器人機(jī)械臂時(shí)，機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)電路已經(jīng)設(shè)計(jì)并制作完成，但小伙伴的機(jī)械臂結(jié)構(gòu)還未搭建好，我們必須得等小伙伴完成機(jī)械臂結(jié)構(gòu)后才能測(cè)試。無(wú)形中，也浪費(fèi)了開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)。

那么，如何提升效率、減少時(shí)間和資金，從而加快開(kāi)發(fā)流程呢？

加快反饋！

在早期進(jìn)行整體設(shè)計(jì)時(shí)，如果可以仿真，在仿真過(guò)程中，不斷調(diào)試裝置和系統(tǒng)參數(shù)，多次反饋后得出我們想要的模型，同時(shí)進(jìn)行結(jié)構(gòu)與軟硬件制作，并根據(jù)仿真模型的變動(dòng)進(jìn)行修改，多階段同時(shí)進(jìn)行，以此來(lái)減少開(kāi)發(fā)時(shí)長(zhǎng)以及資金成本。

當(dāng)然，既然要進(jìn)行仿真，要選取哪款軟件呢。

在這之前，我們?cè)?jīng)有寫過(guò)一篇：

MATLAB R2020a新鮮出爐，我來(lái)替各位嘗嘗鮮！（超鏈接，點(diǎn)擊即可閱讀）

在這篇文章中，我們有聊過(guò)利用MATLAB/Simulink對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)規(guī)劃進(jìn)行仿真。

那么在加速機(jī)器人開(kāi)發(fā)流程上，MATLAB又會(huì)給我們帶來(lái)什么驚喜呢？

?03

MATLAB如何加速機(jī)器人開(kāi)發(fā)

在未設(shè)計(jì)出機(jī)械臂硬件系統(tǒng)之前，我們是無(wú)法驗(yàn)證算法，其抓取效果以及準(zhǔn)確度，此時(shí)MATLAB即可上場(chǎng)，擔(dān)當(dāng)搭建相關(guān)模型，提前完成仿真測(cè)試的重任。

在開(kāi)篇的腰間機(jī)械臂視頻中，機(jī)械臂有給人遞送工具的應(yīng)用場(chǎng)景，我們以機(jī)械臂抓取物品為例，使用MATLAB模擬仿真該運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

在MATLAB中，有較多的機(jī)械臂模型供大家選擇，可供自己的設(shè)計(jì)需求選擇相應(yīng)的機(jī)械臂模型，接下來(lái)使用MATLAB對(duì)進(jìn)行機(jī)械臂拾放工作流程仿真。

首先，使用Stateflow圖表創(chuàng)建狀態(tài)流程圖，由以下三個(gè)步驟組成：

1、初始化機(jī)器人和環(huán)境

初始化機(jī)械臂模型，并創(chuàng)建其運(yùn)行環(huán)境，初始化相關(guān)參數(shù)配置，建立機(jī)械臂模型。

該環(huán)境由機(jī)械手、用于分類的架子和藍(lán)色障礙物組成。

2、識(shí)別零件并確定放置位置

在識(shí)別階段的第一步中，必須檢測(cè)零件。我們可以直接調(diào)用相關(guān)函數(shù)直接給出待拾放的物體檢測(cè)算法，也可以通過(guò)我們特定的物體，來(lái)設(shè)計(jì)對(duì)應(yīng)的物體檢測(cè)算法。

接下來(lái)，調(diào)用相關(guān)函數(shù)將零件分為兩種類型，以確定放置它們的位置（頂部或底部架子）。

3、執(zhí)行取放工作流程

一旦識(shí)別出物品，并指定了它們的目的地，手爪將其拾取，然后移動(dòng)到目標(biāo)位置。

*詳細(xì)流程如下圖所示：

在完成狀態(tài)流程圖后，就可以運(yùn)行可視化仿真。

通過(guò)確定選用MATLAB中提供的機(jī)器人模型，初始相關(guān)參數(shù)配置，完成機(jī)械手的初始配置，建立機(jī)械臂模型。

【案例來(lái)自MATLAB官網(wǎng)，該仿真使用帶有手爪的KINOVA GEN3機(jī)械臂模型】

代碼：

load（'exampleHelperKINOVAGen3RobotiqGripper.mat'）;

coordinator.HomeRobotTaskConfig = trvec2tform([0.4, 0, 0.6])*axang2tform([0 1 0 pi]);

coordinator.PlacingPose{1} = trvec2tform([[-0.2 0.55 0.46]])*axang2tform([1 0 0 -pi/2]);

coordinator.PlacingPose{2} = trvec2tform([[-0.2 0.55 0.63]])*axang2tform([1 0 0 -pi/2]);

調(diào)用函數(shù)，即可將可視化模型連接到前文狀態(tài)流程圖，

coordinator.FlowChart = exampleHelperFlowChartPickPlace（'coordinator'，coordinator）;

輸入下方代碼，可進(jìn)行拾放物體過(guò)程仿真：

answer = questdlg('Do you want to start the pick-and-place job now?', ...

?????????'Start job','Yes','No', 'No');

switch answer

????case 'Yes'

????????% Trigger event to start Pick and Place in the Stateflow Chart

????????coordinator.FlowChart.startPickPlace; ???????

????case 'No'

????????% End Pick and Place

????????coordinator.FlowChart.endPickPlace; ???????

????????delete(coordinator.FlowChart);

????????delete(coordinator);end

在完成此拾放可視化仿真后，我們可以結(jié)合機(jī)器人工具箱Robotics System Toolbox，在此模型上添加相關(guān)的路徑規(guī)劃、電機(jī)控制等來(lái)提前驗(yàn)證我們的相關(guān)算法，從而加快機(jī)械臂系統(tǒng)設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的效率，由于篇幅有限，在此不再詳細(xì)介紹相關(guān)。

?04??

?總結(jié)

本文只是淺談了機(jī)器人系統(tǒng)開(kāi)發(fā)中，通過(guò)MATLAB/Simulink的配合使用，我們可以提前驗(yàn)證機(jī)械臂控制算法，同樣的，除開(kāi)機(jī)器人的機(jī)械臂模型仿真，我們也可以利用Simulink對(duì)機(jī)器人的移動(dòng)控制、視覺(jué)等組件進(jìn)行仿真，提前驗(yàn)證我們的控制算法，無(wú)需等到相關(guān)硬件制作完成后再驗(yàn)證，可以加快整個(gè)機(jī)器人系統(tǒng)的開(kāi)發(fā)過(guò)程，提升效率。

總的來(lái)說(shuō)，在機(jī)器人開(kāi)發(fā)上，MATLAB給技術(shù)人員提供了足夠多且友好的開(kāi)發(fā)工具，并且也涵蓋了多個(gè)demo，供初學(xué)者快速入門。我們可以通過(guò)學(xué)習(xí)調(diào)用demo，快速搭建出我們的機(jī)器人各個(gè)組件系統(tǒng)，進(jìn)行仿真測(cè)試，無(wú)論是機(jī)器視覺(jué)，或者機(jī)械臂相關(guān)軟硬件，亦或是移動(dòng)路徑規(guī)劃等。都可以在MATLAB中找到相應(yīng)的工具包對(duì)其進(jìn)行仿真測(cè)試。

與此同時(shí)，在基于MATLAB模型設(shè)計(jì)下，我們可以將機(jī)器人系統(tǒng)如此龐大陌生的系統(tǒng)劃分成各個(gè)模塊進(jìn)行組件設(shè)計(jì)，利用Simulink對(duì)其組件進(jìn)行仿真測(cè)試，使用基于模型設(shè)計(jì)去開(kāi)發(fā)軟件，我們可以盡早對(duì)一個(gè)階段的工作產(chǎn)品進(jìn)行驗(yàn)證，同時(shí)鏈接到后一階段的設(shè)計(jì)。不僅僅是節(jié)省開(kāi)發(fā)時(shí)間成本和資金成本，并且對(duì)于基于模型的設(shè)計(jì)來(lái)講，圖形化設(shè)計(jì)是天然的、固有的。

能讓人較為明朗了解設(shè)計(jì)原理以及過(guò)程，方便工程師們交流以及后期維護(hù)。

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總結(jié)

以上是生活随笔為你收集整理的再聊机器人设计：如何加速开发流程？的全部?jī)?nèi)容，希望文章能夠幫你解決所遇到的問(wèn)題。

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