Ένα ρομπότ γκαράζ για την πρόκληση της ρομποτικής DARPA - 💡 Fix My Ideas

Ένα ρομπότ γκαράζ για την πρόκληση της ρομποτικής DARPA

Ένα ρομπότ γκαράζ για την πρόκληση της ρομποτικής DARPA


Συγγραφέας: Ethan Holmes, 2019

Η πλήρης ανθρωποειδής μας, WATSON.

Από τότε που συνέλεξα το πρώτο μου δίπλωμα το 2005, ονειρεύτηκα να κατασκευάσω ένα ανθρωποειδές ρομπότ πλήρους μεγέθους. Δυστυχώς, απλά δεν υπάρχουν εξαρτήματα γύρω. δεν είναι τόσο εύκολο να οικοδομήσουμε μια σταθερή δίποδα. Ακόμη και τα μικρά δίποδα υποφέρουν από προβλήματα σταθερότητας, ελέγχου επεξεργασίας, κατανάλωσης ρεύματος και μηχανικής απόρριψης. Και καθώς αυξάνουμε το μέγεθος τόσο πολύ, αυξάνουμε τα προβλήματα σταθερότητας και το κόστος.

Τα σημερινά τυπικά μικρά δίποδα (ύψος από περίπου 8 έως 18) κοστίζουν περίπου $ 400 έως $ 2000. Προσαρμοσμένα ενσωματωμένα μοντέλα για μεγαλύτερα μεγέθη - ακόμα και κάτω από 36 ίντσες - μπορούν εύκολα να χτυπήσουν $ 30.000. Τα διζύδια μεγέθους ανθρώπου συνήθως κοστίζουν πολλές εκατοντάδες χιλιάδες, αν όχι εκατομμύρια δολάρια.

Ξεκίνησα για να δείξω ότι είναι δυνατό να οικοδομήσουμε ένα δίπολο πλήρους μεγέθους που μπορεί να περπατήσει για πολύ κάτω από 10.000 δολάρια. Υπάρχει ένας χαμηλού κόστους, απλός τρόπος για να φτιάξετε ένα ρομπότ πλήρους μεγέθους δίπολο χωρίς μια τεράστια επένδυση κεφαλαίου και μια ομάδα επιστημόνων πυραύλων;

Προτού αμφιβάλλετε, θυμηθείτε ότι τον 18ο αιώνα ο John Harrison, ένας αυτοδίδακτος κατασκευαστής ξύλινων ρολογιών, έκτισε το πρώτο χρονόμετρο του πολύ ακριβούς πλοίου και κέρδισε το βραβείο των 10.000 λιρών (παλιό βρετανικό χρήμα). Οι πολύ μορφωμένοι λόγιοι της εποχής αρνήθηκαν να τον αναγνωρίσουν, επειδή δεν είχε επίσημη εκπαίδευση. Η επιτυχία ακολουθεί την αποφασιστικότητα και τη στάση "Ποτέ μην εγκαταλείπετε ... Ποτέ μην παραδοθείτε".

Έχω την οικοδόμηση και την ανοικοδόμηση της μεγάλης δίποδας μου για επτά χρόνια. Καλώ το έκτο και πιο πρόσφατο μοντέλο WATSON - το Στερεοσκοπικό Omni-Navigator χωρίς Χωρίς Σύνορα. Και τα έξι μοντέλα χτίστηκαν στον ελεύθερο χρόνο μου μακριά από την εργασία ημέρας μου ως προγραμματιστής firmware συμβόλων. Το πρώτο πρωτότυπο, Μοντέλο 1, ήταν μόνο ενός ποδιού, του αστραγάλου και του μηρού. Ήταν μια πλατφόρμα για να δοκιμάσω τις θεωρίες μου για τον έλεγχο δυο.

Το πρόωρό μου πρωτότυπο ήταν μόνο ένα πόδι, αστράγαλος και μηρός.

Αυτό το μοντέλο ήταν τόσο επιτυχές αποφάσισα να φτιάξω το πλήρες ρομπότ.

Το μοντέλο 2 έκανε κάποιες αλλαγές από τις παραδοσιακές δίπλες που εμφανίζονται στην αγορά σήμερα. Χαμένος:

  • Μεγάλα, επίπεδα, τετραγωνικά πόδια
  • Βαρύ σέρβο για κινήσεις ποδιών και αστραγάλων
  • Μια κεντρική μονάδα ελέγχου που τρέχει ολόκληρο το ρομπότ

Προστέθηκε:

  • Ανθρώπινο στυλ πόδι με τρία σημεία επαφής
  • Σύνδεση από το άνω πόδι για έλεγχο της θέσης του ποδιού
  • Ένας ελεγκτής πλακέτας επεξεργασίας άκρων για κάθε άκρο

Υπάρχουν πολλές διαφορετικές θεωρίες και μοντέλα που χρησιμοποιούνται για τον έλεγχο των bipeds. Ορισμένοι είναι εξαιρετικά περίπλοκοι και απαιτούν πολύπλοκα μαθηματικά για να ελέγξουν τις δυναμικές δυνάμεις που θεωρούμε δεδομένες όταν περπατάμε. Αυτό δεν είναι για αυτό. Θα παρουσιαστεί κάποια θεωρία ελέγχου, αλλά θα τη διατηρήσω στο ελάχιστο. Η ουσία της θεωρίας είναι ότι με αρκετούς αισθητήρες μπορούμε να χτίσουμε ένα μεγάλο ρομπότ βάδισμα με βάση την αρχή του κέντρου μάζας.

Ο σχεδιασμός του Μοντέλου 2 ήταν να δημιουργήσει ένα ρομπότ με ισχυρούς μηρούς και ελαφρά πόδια. Ήταν ελπίδα ότι αυτός ο σχεδιασμός θα μπορούσε να εξελιχθεί εγκαίρως σε μια τρέχουσα δίποδα. Για να επιτευχθεί αυτό, μερικές από τις "απατεώνες" που συνήθως εμφανίζονται σε μικρότερα δίποδα σχεδιάστηκαν έξω, συμπεριλαμβανομένων των τεράστιων τετραγωνικών ποδιών.

Είναι δύσκολο να πέσετε όταν φοράτε τσιμεντένια παπούτσια. Ένα χαμηλότερο κέντρο μάζας δίνει μεγαλύτερη σταθερότητα για ένα σταθερό ρομπότ, αλλά απαιτεί μεγάλη ενέργεια για να κινεί κάθε πόδι. Οι άνθρωποι έχουν ένα υψηλό κέντρο μάζας. όταν περπατάμε, ρίχνουμε το βάρος μας έξω από το κέντρο της μάζας μας και παγιδεύουμε τον εαυτό μας με το άλλο πόδι, και στη συνέχεια βυθίζουμε ξανά στο επόμενο βήμα. Αυτές οι γρήγορες κινήσεις χρησιμοποιούν ένα ανεστραμμένο εκκρεμές όπου η μάζα είναι πάνω από το σημείο περιστροφής (στον αστράγαλο).

Τρεις αισθητήρες πίεσης στο κάτω μέρος κάθε ποδιού βοηθούν στην ισορροπία.

Κάθε biped χρειάζεται κάποια αίσθηση ισορροπίας. Τα μοντέλα 1 έως 6 (εκτός από το Μοντέλο 5, θα φτάσω σε αυτό) χρησιμοποιούν πολύ ακριβείς κυψέλες φορτίου ανιχνεύοντας βάρος σε τρία σημεία ανά πόδι. Αυτά τα συγκεκριμένα κύτταρα φορτίου είναι περίπου 0,2 τοις εκατό ακριβή σε πλήρη κλίμακα (μέχρι 100 λίβρες). Μπορούν να παρέχουν μια νέα ανάγνωση μέχρι μία φορά κάθε χιλιοστά του δευτερολέπτου. Τα κύτταρα τοποθετούνται στο κάτω μέρος του ποδιού ως σημεία επαφής σε τριγωνική διάταξη παρόμοια με το ανθρώπινο πόδι.

Το ανθρώπινο πόδι έχει 11 σημεία που κατανέμουν το βάρος, αλλά τα τρία είναι εξαιρετικά κρίσιμα. η φτέρνα, η μπάλα του πρώτου μετατάρσια στο μεγάλο δάκτυλο του ποδιού και η πέμπτη μετατάρσια στο δάκτυλο του pinkie σχηματίζουν ένα τρίποδο. Μπορεί να υπάρχουν καλύτερα σχέδια για ρομποτικό περπάτημα, αλλά με αυτό μπορώ να συσχετιστώ με τις δυνάμεις και να ανατροφοδοτήσω τις εμπειρίες από δίπλωμα.

Ο στόχος είναι να έχει το πόδι να στηρίζει πάντα το φορτίο μέσα στο κέντρο της μάζας, το οποίο είναι το μέσο όρο των τριών βαρών, το καθένα από τα οποία κλιμακώνεται από τη φυσική απόσταση από το κέντρο της μάζας. Όταν και οι τρεις αισθητήρες ενός δεδομένου ποδιού έχουν κάποιο βάρος και το συνολικό βάρος είναι τουλάχιστον 1 λίβρα, τότε είναι δυνατόν να προσδιοριστεί το τρέχον κέντρο μάζας και πόσο μακριά από το πραγματικό κέντρο είναι στις δύο κατευθύνσεις Χ και Υ. Αυτό το σφάλμα τροφοδοτείται σε ένα αναλογικό ολοκληρωμένο βρόχο, ο οποίος προσαρμόζει τον σερβο, διατηρώντας το κέντρο της μάζας μέσα στο τρίγωνο.

Το σχέδιο του ρομπότ μου συνεχίζει να εξελίσσεται.

Πριν από δύο χρόνια, άκουσα για το DARPA Robotics Challenge. Αυτή ήταν ακριβώς η ώθηση που χρειαζόταν για να συνεχίσω τις εργασίες στο δίπλωμα. Ήμουν στην τέταρτη ανακατασκευή και οι στόχοι μου άλλαξαν - τώρα χρειάστηκα να ολοκληρώσω μερικές δύσκολες εργασίες που δεν ήταν μέρος των αρχικών μου σχεδιαστικών στόχων:

  1. Οδηγήστε ένα μικρό καροτσάκι γκολφ
  2. Ανεβείτε μια σκάλα
  3. Ανοίξτε μια πόρτα
  4. Γυρίστε μια βαλβίδα
  5. Χρησιμοποιήστε ηλεκτρικό εργαλείο
  6. Καθαρά βαριά υπολείμματα

Πρόσφατα προσλάμβανα άλλους λάτρεις για να προετοιμαστούν για την πρόκληση μέχρι τον Δεκέμβριο του 2013. Η πλατφόρμα Μοντέλο 4 δεν ήταν αρκετά ισχυρή για να χειριστεί τα καθήκοντα - χρειάστηκαν μεγαλύτερα, πιο ισχυρά σέρβο. Είχαμε εισέλθει στην πρόκληση του DARPA, Track D, για ομάδες που δεν έχουν κρατική χρηματοδότηση. Δεν είχαμε καμία χρηματοδότηση καθόλου, οπότε δεν θα χρησιμοποιούσαμε τα σερβο $ 2.500 ή τα ρομπότ Atlas $ 1.2 εκατομμυρίων που αναπτύχθηκαν από τη Boston Dynamics.

Βρήκα περίπου 200 servos με μεγάλη ροπή από μια εταιρεία των ΗΠΑ που ονομάζεται Invenscience. Είναι λίγο βαρύ, αλλά πολύ υγιές. Χρησιμοποίησα ένα μήνα διακοπών και δημιούργησα το μοντέλο 5, το πρώτο που θα ονομαζόταν WATSON. Αυτό ήταν ένα πειράζ για το πολύ ακριβό Atlas, το οποίο χρειάζεται ένα ανυψωτικό περονοφόρο για να μεταφέρει το τροφοδοτικό του πίσω από αυτό μέσω ενός ιμάντα. Το μοντέλο 5 δεν χρησιμοποίησε κυψέλες φορτίου, αλλά μπορούσε να περπατήσει χρησιμοποιώντας μια σειρά στατικών πλαισίων. Αυτή ήταν μια προσπάθεια να φτάσουμε στο DARPA Robotics Challenge το 2013, αλλά χάσαμε χρόνο να τελειώσουμε το πάνω μέρος του σώματος. Χωρίς αξιοπρεπή όπλα εργασίας, δεν θα περάσαμε τις δοκιμές. Παρόλα αυτά, το DARPA μας κάλεσε να συμμετάσχουμε στην πρόκληση το 2014.

Οι νέοι, υβριδικοί σέρβο του WATSON.

Ο επόμενος στόχος είναι η αυτόματη ισορροπία μας. Με το μοντέλο 6, τα πόδια έχουν επανασχεδιαστεί πίσω στο κέντρο του αλγορίθμου μάζας. Το πρόγραμμα κινούμενων σχεδίων λειτουργεί και χρησιμοποιούμε ορισμένα εργαλεία του λειτουργικού συστήματος ρομπότ για την καταγραφή και τον εντοπισμό σφαλμάτων τηλεμετρίας. Αρχίζουμε με μικρά βήματα και εργαζόμαστε για μεγαλύτερες και γρηγορότερες πορείες.

Χρειάστηκε επτά χρόνια αφοσίωσης για τη δημιουργία ρομπότ πλήρους μεγέθους. Οι πρώτες πέντε ήταν οι πιο δύσκολες, κυρίως επειδή το χτίζα μόνος μου. Τώρα, με τη βοήθεια του Chris Mayer και του Girts Linde, κάνουμε μεγάλα βήματα (λογοπαίγνιο που προορίζονται) σε ανταγωνισμό με τα παιδιά που έχουν όλα τα μεγάλα δολάρια. Πιέζουμε σκληρά για να είμαστε έτοιμοι για το DARPA Robotics Challenge 2014.



Μπορεί Να Σας Ενδιαφέρει

Τι διαβάζετε στο CRAFT: 08

Τι διαβάζετε στο CRAFT: 08


Συνέντευξη με τον σχεδιαστή Jill Sanford Burrows

Συνέντευξη με τον σχεδιαστή Jill Sanford Burrows


Οι μεγάλες τέχνες σκουπιδιών του Ώστιν φέρνουν την τοπική γεύση στο Swap-O-Rama-Rama στο Maker Faire Austin

Οι μεγάλες τέχνες σκουπιδιών του Ώστιν φέρνουν την τοπική γεύση στο Swap-O-Rama-Rama στο Maker Faire Austin


Μεγάλος επιταχυντής συμπλοκών αδρονίων είναι εντελώς αβάσιμοι

Μεγάλος επιταχυντής συμπλοκών αδρονίων είναι εντελώς αβάσιμοι