我在車庫做了一個機器人角逐DARPA機器人挑戰賽

六月 24, 2014
Facebook
Twitter
图片

仿真人大小的人形機器人瓦森(WATSON)

自從2005年組裝了第一個兩足機器人,我就夢想打造真人大小的人形機器人。可惜身邊工具不足;打造穩固的兩足機器人並不容易。光是兩足小機器人,就有顛頗、處理控制、電源消耗、機械裝備的問題,加大尺寸以後,穩固性和成本問題也會跟著浮現。

目前一般兩足小機器人(高度介於8-18吋),大約要價400-2000美元。特別訂製的兩足大機器人模型(就算高度低於36吋),也高達三萬美元。真人大小的兩足機器人,雖然不到幾百萬美元,也要幾十萬美元。

我正要告訴大家,如何以低於一萬美元的成本,打造一個真人大小的兩足機器人,而且步伐很穩。難道真的有低廉簡便的方法,不用投入大量資本,也不用動用火箭專家,也可以組裝真人大小的兩足機器人?

图片我早期的機器人原型,只有一隻腳、一個腳踝、一條腿

在你懷疑我以前,別忘了18世紀的John Harrison,他是無師自通的木鐘自造者,建造第一個十分準確的天文鐘,贏得一萬英鎊(以前英國的幣值)的獎金。當時受過高等教育的學者,不願承認他的成就,因為他沒有正式學歷,但他的決心以及「永不放棄…永不投降」的態度,終究為他帶來成功。

我自造大型兩足機器人,來來回回也有七年。我把最新的第六代模型稱為瓦森(WATSON)­­—這是沒有「天鉤」(Tether)的立體環場導航裝置。我平常是約聘韌體工程師,這六個模型都是利用閒暇時間完成的。第一個原型(模型一)只有一隻腳、一個腳踝、一條腿。這是我測試兩足機器人控制理論的平臺。

這個模型太成功了,於是決定打造一個完整的機器人。
 
模型二和目前市面的傳統兩足機器人不太一樣。

少了:

  1. 又大又平的正方形腳底
  2. 控制腳底和腳踝的笨重伺服系統
  3. 控制整個機器人的中央控制組件

多了:

  1. 仿人腳和地面共有三個接觸點
  2. 大小腿連鎖裝置可以控制姿勢
  3. 四肢各有一個處理板控制器

 

兩足機器人控制理論和模型不勝枚舉,有的十分精密,以複雜數學運算控制我
們習以為常的動力。這篇文章「不」談這個。我也會介紹一些控制理論,但是點到為止。我的控制理論很簡單:只要有足夠的感應器,就可以根據質心法則,打造一個大型的行走機器人。

模型二的設計特色,就是大腿強壯、腳底輕盈。我們期望藉由這個設計,逐漸打造出會跑的兩足機器人。有人為達目標「不擇手段」,所以我們經常看到小型兩足機器人有著巨大的正方形腳。


图片雙腳腳底各有三個壓力感測器,可以幫助平衡

只要穿著水泥套鞋,就不容易摔倒了。壓低質心也可以穩定直立的機器人,但移動每隻腳所耗費的能源就會很多。人類的質心很高,我們走路的時候,把體重甩到質心之外,再以另一隻腳接住自己的重量,下一步繼續把體重甩到質心以外。如此快速移動雙腳,運用了倒擺原理,質心比基準點還要高。

每個兩足機器人都要有一定的平衡感。模型一到六(模型五除外,我待會再來介紹)的腳底,分別設置三個極度精密的荷重元感測器。這些特殊荷重元的準確度,比一般標準還超出0.2%(可承重100磅),每毫秒就可以提供一次新的判讀資料。荷重元裝在腳底,三個接觸點類似人腳,剛好連成三角形。


人腳與地面有11個接觸點分散體重,但其中以這三個至關重要:一是腳跟,二是大拇指第一個蹠骨關節,三是小指第五個蹠骨關節,剛好連成三角形。目前可能還有其他更好的機器人行走設計,但這種方法可以紀錄重量分部,並且回應機器人的行走心得。

我希望雙腳支撐質心以內的荷重。腳底三點的平均荷重,取決於和質心的實際距離。腳底三個感測器也有自己的重量,所以總重量至少有一磅,接著可以找出當下的質心,測量和真正中心點之間的距離(往X軸和Y軸偏離多少),任何差錯都會匯入比例積分回饋迴路,這個迴路可以自行調節伺服機,固定三角點內部的質心。

图片

我的機器人設計不斷更新

兩年前我聽到美國高等研究計劃署(DARPA)的機器人挑戰賽,這是我持續研究兩足機器人的動力。我重新打造模型四的時候,突然改變目標—我想完成一些原計劃所沒有的任務。

  1. 駕駛小型高爾夫球車
  2. 爬樓梯
  3. 開門
  4. 轉開門閥
  5. 操作動力工具
  6. 清理大型垃圾


201312月,我為了這個挑戰賽,找到一些對機器人同樣瘋狂的人。模型四的平台不夠穩固,不可能完成上述任務我們需要更強大的伺服機。我們參與美國高等研究計劃署的Track D挑戰賽,這是專為沒有政府補助的團隊所舉辦的比賽。我們完全都是自力救濟,所以不打算使用2500美元的伺服機,更別說Boston Dynamics研發要價120萬美元的Altas機器人。

我找到美國公司Invenscience出品的大扭矩伺服機,每個只要200美元,有點重但很有力。我利用假期打造模型五,這是第一個瓦森機器人,主要想要嘲笑十分昂貴的Altas機器人,Altas背後有一個堆高器,扛著機器人的電源系統。模型五不用荷重元,反而利用一系列靜態框架,這是為了贏得2013年美國高等研究計劃署的機器人挑戰賽,但光是完成上半身,就耗盡我們所有的時間,加上雙手無法順利擺動,始終沒有通過測試,但2014年高等研究計劃署再度邀請我們參加。

图片

瓦森機器人新的強力伺服機

下一個目標是讓機器人自動平衡行走。模型六的雙腳依然運用質心演算法,搭載動態模擬系統,並以「機器人作業系統」工具完成遙測紀錄和除錯,從小步伐逐漸進展到大步伐。

真人大小的行走機器人,需要好幾年的全心投入。前五個模型是最困難的,主要因為我不假外人之手,現在有了Chris Mayer和Girt Linde的協助,我們大有斬獲,打算跟那些闊老爺們一較高下。為了2014年機器人挑戰賽,我們把自己逼得很緊。更多資訊請上我們的網站Team Walk Like a Man


By Daniel Albert

(譯:謝明珊)
[原文]

Social media & sharing icons powered by UltimatelySocial