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斯坦福后空翻机器人设计、代码全开源成本降至
来源:未知   发布时间:2019-06-19 18:30   浏览次数:

 

  斯坦福学生机器人俱乐部(Stanford Student Robotics club)Extreme Mobility 团队最近迎来了一名新成员——一个名为 Stanford Doggo 的四足机器人。这个机器人能跳 1 米多高,还能表演后空翻。与其他四足机器人动辄上万美元的成本不同,这个机器人的成本降到了 3000 美元以下,而且设计团队开源了该机器人的设计图、代码以及材料清单。任何感兴趣的人都能够通过这些材料打造属于自己的 Doggo 机器人。

  Doggo 的设计和其他小型四足机器人类似,但其独特之处在于,该机器人成本较低,而且容易获得。其他类似的机器人通常要花费上万美元,但该机器人的设计者——斯坦福 Extreme Mobility 实验室估计,Doggo 的总成本不会高于 3000 美元。而且,Doggo 的整个设计都是开源的,几乎所有的零部件都可以在网上买到。

  「我们见过很多研究中所使用的四足机器人,但你通常没有办法把它们带到自己的实验室并用在自己的项目中,」Extreme Mobility 负责人、机械工程专业学生 Nathan Kau 表示。「我们希望 Stanford Doggo 成为一款你可以自己构建的低成本开源机器人。」

  Stanford Doggo 现在已经能完成走路、慢跑、跳舞、跳跃等动作,偶尔还能表演一下后空翻。目前,研究团队正在打造一个稍大一点的 Doggo(和比格犬差不多大),并将在 5 月 21 日的加拿大蒙特利尔国际机器人与自动化会议(ICRA)上进行展示。

  为了让 Doggo 可以复现,研究团队从头开始构建该机器人。他们花了大量时间研究容易获取的原材料,在完成每个部件之后都会对其进行测试,而不是依赖于模拟。

  「从一开始想到要构建一个四足机器人到现在已经过去了两年的时间。在这个原型开始迭代之前,我们还构建了若干个原型,」该团队一名 19 岁的成员表示。

  Doggo 的第一步无疑是蹒跚学步,但现在它的步态和行进路线已经非常稳定,还能克服较为复杂的地形。它通过马达感应自己受到的外力,并确定每条腿应施加多大的力和扭矩来实现这一目标。这些马达以每秒 8000 次的速度重新计算,这对 Doggo 标志性的舞蹈动作至关重要:它可以跳颇为灵活的布吉舞,看不出来里面其实没有弹簧。

  这些马达就像一个由虚拟弹簧组成的系统,当它们感觉到机器人偏离合适的位置时,会平稳而敏捷地将机器人弹回适当的位置。

  Doggo 的跳跃能力非常令人惊讶。通过不断改进软件设计,Doggo 已经能跳到 3.5 英尺(约 1 米)高。

  Kau 回忆说,「从那时起我们就意识到,这个机器人在某些方面的表现已经超越了其他四足机器人,尽管它的成本要低很多。」从那时起,他们开始尝试让 Doggo 进行后空翻。

  虽然 Doggo 的构建成本非常低,但因为腿部机制的新型设计和更高效的马达,它的实际效果要比其它昂贵的机器人更好一些。它的扭矩比 Ghost Robotics 相同大小和形状的 Minitaur 机器人(成本达 11500 美元)更大一些。此外,Doggo 的垂直跳跃能力同样也比 MIT 的 Cheetah 3 机器人强。

  作为一个开源机器人,Stanford Doggo 的所有代码和设计图都能免费获得。斯坦福希望 Doggo 能为多足机器人提供一个可访问的平台。目前,该开源机器人保持着垂直跳跃敏捷度的最高纪录,它的跳跃高度是目前四足机器人的两倍。此外,因为 Stanford Doggo 总重量低于 5 公斤,根据开源项目做开发更容易也更安全。

  总体上,项目从软件代码、驱动、硬件设计到材料清单提供了完整的资料。下面通过几张结构或演示图,我们可以欣赏欣赏 Doggo 的构造细节。

  同轴机制(coaxial mechanism)会驱动每一条腿的运动能力,不论小跑还是跳跃都少不了它。同轴机制也是机器人中最复杂的机制和模块,当然它也是最麻烦的。

  后面还有身体(机箱~)和电路设计图等模块,这里就不一一展示了。最后,我们可以看看 Doggo 的整体内部结构与马达控制器的布局:

  当然,如果你想搭建一个这样的机器人,除了上面这些具体的结构,最好还是要了解整体设计思路和原理。斯坦福的研究者还为 Doggo 写了一篇论文,这篇论文发表在了 ICRA 2019 上。

  这篇论文展示了 Stanford Doggo,它是一种准直接驱动(quasi-direct-drive)的四足机器人,具有很强的动态运动能力。该机器人能媲美或超过当前最优多足机器人的一般性能指标。且在垂直跳跃灵敏度上,即以平均垂直速度为指标,Stanford Doggo 能与表现最好的动物相媲美,并超过此前表现最好的机器人 22%。整体设计架构重点关注准直接驱动的设计方法。复现该机器人的硬件和软件都已经开源,只需要手工工具制造和组装就能完成,总成本低于 3000 美元。

  很多研究员认为类似 Doggo 这样的机器人是即将来临的机器人大发展的一部分。四足或双足机器人的能力将变得越来越强,波士顿动力、Agility Robotics 和 Anybotics 等公司都开始将其定位为高效的工具。它们可以用于各种实际任务或场景,例如现场调查、监视、安防或快递包裹等。

  而像 Doggo 这样的低成本机器人,可以用于研究者的各种实验,并快速迭代提升控制系统。目前,Doggo 和同类产品一般都为大学实验室而设计,但很快,它们就会投入真实世界。

  斯坦福表示,它们希望 Doggo 能提供任何人都可以构建的基准系统。如果我们希望将它用于不同的任务,那么给 Doggo 加上不同的传感器与对应的代码,就能利用运动能力执行它们。



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