2020年被网友称为魔法年。说到魔幻现实主义，斯皮尔伯格之前的热门作品《头号玩家》向我们展示了虚拟真实的绿洲世界。其中不仅有VR眼镜提供的沉浸式视觉体验，还有男女主角跳舞时使用的触觉手套。这样的交互方式已经诞生，正如Oculus VR 的两项专利中提到的那样。
在赛博朋克灵感时代，除了可穿戴机械设备，应用于多个领域的多功能机械仿生装置也备受关注。
墨西哥蒙特雷科技学院的学者最近发明了一种低成本机器人手臂，用于在线机器人教育领域，使教师能够远程演示课堂上难以解释的理论概念。有关机械臂的详细信息发表在Hardware X的一篇论文中。值得一提的是，这项研究完全开源，内部组件可以由世界各地的所有教师和教育从业者轻松组装。
在冠状病毒爆发期间，机器人手臂可用于在线教学
该研究于2020 年3 月冠状病毒爆发期间开始。进行其中一项研究的Victor H. Benitez 表示，在学习了正向运动学、逆向运动学及其应用后，他的两个学生提出了创建具有物联网功能的双连杆机械臂的想法，同时作为他们机器人课程的研究项目。
世界卫生组织已宣布COVID-19 为全球大流行病。病毒的爆发和广泛传播给教育机构带来巨大影响，对学生和研究人员的生命和健康构成严重威胁。对于那些需要应用设备、协作实验的工科学生来说，感染的风险就更大了。在这种情况下，大多数教育机构正在通过提供虚拟远程教育来降低感染病毒的风险。然而，实验室实践需要的实验很难或不可能在虚拟环境中实施。当理论无法与实践结合时，一种具有优良演示和教学效果的新型机械设备应运而生。
图| SolidWorks 中机器人的CAD 绘图
机械臂可通过在线应用程序远程操作
机械臂是通常可编程的机械手，具有与人臂相似的功能。机械臂的连杆可以看作是运动链，运动链的末端称为末端执行器，类似于人的手。末端执行器可设计用于执行任何所需的任务，例如夹紧、旋转等，具体取决于应用。在太空中，航天飞机远程操作机械手系统（也称为Canadaarm 或SSRMS）及其后续产品Canadarm2 是多自由度机械手。这些机械臂已用于执行各种任务，例如使用末端执行器上安装有摄像机和传感器的特殊部署吊杆从航天飞机的货舱部署和回收卫星。
机械臂可以是自主控制的，也可以是手动控制的。机械臂可以是固定的或移动的（例如轮式）。
Benitez等人设计生产的开源机械臂系统。主要由四个部分组成：机械臂结构、控制系统、Wi-Fi通信模块和人机界面。物联网机械臂可用于演示重要的机器人教学主题，例如正向运动学和逆向运动学，这些主题使用Denavit-Hartenberg (DH) 方法进行编程，以形成用于演示操作的简单或复杂的运动模式。机器人系统的功能通过物联网技术实现，该技术通过ESP32 微控制器通过无线Wi-Fi 通信设备部署在智能手机的HMI 界面中。
贝尼特斯解释道：我们的机械臂是运动学的应用。应用直接运动学来使用关节角度值矩阵来确定末端执行器的位置。间接运动学主要提供三角方程建立长度和角度的关系来计算末端执行器到达空间中给定点或轨迹时手臂关节需要运动的路径。
机械臂将末端执行器（即感兴趣的物体）移动到特定位置所需的轨迹由特定的坐标或参数函数确定。在这种情况下，末端执行器可以是手臂试图移动的任何物体，例如标记器、激光或机器人夹具。
具体来说，可以通过手机上的人机界面控制机械臂，利用Denavit-Hartenberg参数移动每个伺服电机的角度，获得其正向运动学矩阵并确定其位置。此外，界面还可以通过按钮引入机器人遵循的复制协议，通过链接运动轨迹之间的几何关系，使用逆运动学复制运动轨迹。在演示中，贝尼特斯的团队选择了以下图案：圆形、五瓣花和手绘螺旋，并使用开源MATLAB 代码对其进行处理，以便机械臂能够跟踪其轨迹。使用MATLAB 测试机器人的运动方程，模拟机器人在物理原型中遵循的特定尺寸和轨迹。为了使该程序作为开源项目进行访问并使控制器适合无线通信，Benitez 团队采用了与Arduino IDE 兼容的MATLAB 代码。
为了让教师和学生能够通过互联网使用同一个机械臂进行实验，还可以连接WiFi并通过在线应用程序进行远程控制。此外，它所基于的程序允许用户轻松访问手臂运动背后的每个命令和参数，这可以进一步支持学习并增强每个学生对机器人行为过程的理解。
图|机器人电气图
图|机器人逆运动学分析
构建成本低，硬件成本28.48 美元
此次开发的机械臂旨在展示使用廉价组件的正向运动学和逆向运动学的应用。其运动控制是通过集成了低成本、低功耗微控制器的物联网接口实现的。与现有的其他机械臂相比，该机械臂的生产成本较低。
换句话说，贝尼特斯和他的学生正在建造一种价格实惠的机器人，可以在实验室外轻松组装，不需要先进的工具和设备，并且可以巧妙地显示物理环境。中的复杂机器人概念。
由于建造该机器人的成本较低，其硬件成本仅为28.48美元。相对于它的功能来说，也算是物超所值了。它的链接由聚乳酸长丝制成，打印每个链接所需的材料量很少。由于使用的材料量最少，伺服电机可能会增加原型中使用的组件的重量。
展示理论概念的有效工具
贝尼特斯和他的学生已经证明，使用价格实惠的电子元件和执行器可以制造出有用且高效的机器人。当研究人员评估他们的机械臂时，他们发现它是在实验室和远程演示理论概念的高效工具。世界各地的教育工作者很快就可以开始使用它来更好地吸引学生，并提供课堂上涵盖的理论主题的实际演示。
贝尼特斯说，目前，一个学生团队正在我们的帮助和建议下开发这种机械臂的第二个版本。他们将升级机器人并提高原始设计的性能和可靠性，而不牺牲其优势（低价、物联网集成、教育目的）。我们的目标是在价格和实用性之间取得平衡，以便该项目可以以多种不同的方式应用。
