波士顿动力机器狗开源3D打印版来了!用于学习算法 

2020-06-26 18:56 发布

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来自纽约大学坦顿工程学院和位于德国图宾根和斯图加特的马克斯·普朗克智能系统研究所(MPI-IS)的研究人员设计并3D打印了一只开源四足机器人狗,名为“Solo 8”。

与Boston Dynamics上的价格标签相比,自动狗的价格相对较低,并且根据团队的需求可以轻松快速地组装。开源机器狗可以轻松升级和修改。这可以使预算有限的研发团队,包括初创公司,小型实验室或教学机构的研发团队,在未来创新并改进其机械宠物设计。

动态运动研究小组负责人亚历山大·巴德里·斯普罗维茨(AlexanderBadri-Spröwitz)说:“要让一个研究小组自己开发这种机器人,就需要花费四年的时间。” “此外,您需要广泛的专业知识。我们的平台是几个团队的综合知识。现在,全球任何实验室都可以在线下载文件并打印零件,并从目录中购买其余组件。每个人都可以在几周内添加更多功能,并且完成它。这样您拥有了世界一流的机器人。”

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使用3D打印创建一个机器狗

使用有腿机器人测试高级控制和学习算法可能需要大量硬件开发或维护成本。许多现有的系统也没有商业化,这使得它们很难进行比较,有时甚至非常昂贵。例如,工程公司Boston Dynamics最近以74500美元的价格推出了这款机器狗。

为了支持研究的快速和广泛的进展,团队决定其硬件、固件和中间件需要变得便宜,并且相对容易复制和实现。使设计开源使这成为可能,同时允许机器人的规格更自由地在各地的3D打印狗主人之间进行比较。尽管诸如“开放犬计划”和“ Oncilla”之类的项目已经提供了其设计,但也很少有人使用开源扭矩控制的有腿机器人平台。

此外,尽管Solo 8的零件采用水刀切割并且相对易于生产,但其他开源项目大多使用位置控制的伺服电机,从而限制了它们在测试学习算法中的应用。有效改变这些机器人的关节刚度所需的复杂工具和复杂机制为业余爱好者和研究人员提供了更多的障碍。结果,该团队得出结论,为了使他们的机器人尽可能容易接近,有必要将需要精密加工的零件数量减至最少,并使用3D打印作为替代方案。

这使得研究人员可以利用廉价的塑料3D打印和高性能的无刷直流电机(BLDC)来生产零部件。此外,由于移动设备市场的发展,该团队可以利用价格低廉的微型传感器、低功耗、高性能微控制器和增强电池技术。

总的来说,研究团队的目标是创造一个轻量级的机器狗,因为它们在测试动态运动的高级算法和加速测试周期方面特别重要。此外,轻型机器人不需要起重机或引导结构来建造,可以由一个研究人员在较小的实验室空间操作。当需要直接在真实的硬件上以快速、安全、廉价的方式测试学习算法时,这些特性非常重要。利用这种方法,该团队创造出了Solo 8,这是一种全新的、完全开源的机器狗,具有模块化的力控腿结构,据报道,这只狗的制造成本可能低于4500美元。

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Solo 8 3D打印狗可从起始高度24cm跳至最大高度65cm

创造人类新最好的朋友背后的方法论


机器狗的致动器模块由一个无刷电机、9:1双级同步带传动、一个高分辨率光学编码器和一个直接安装在电机轴上的每转5000计数码轮组成。Max Planck的机电工程师Felix Grimminger表示,这些模块对于机器人的设计至关重要。 “做到这一点很重要。核心执行器就像我们重复使用的基本构件一样,几乎没有变化。”他说。 “这样我们就可以建立一个机器人动物园。”

两个执行器模块组合在一起构成了它的四肢,它的脚被安装在远端,在小腿的末端。机器人的关节被证明是多转的能力,并且完整的机器人是由四条相同的腿和一个3D打印的身体结构组装而成。它重2.2公斤,身长42厘米,宽33厘米,可以通过TI和定制电子板进行有线通信,也可以通过WiFi网络接口进行无线控制。在成品中,所有的东西都包含在一个3D打印的外壳中,没有电线暴露在外。此外,模块组装很简单,只需要很少的独立部件,除了电机轴和滑轮,其他部件要么是3D打印的,要么是现成的。

测试证明,Solo 8的功能,包括力矩控制马达和驱动关节,使得它可以像其他更昂贵的仿生机器人一样运行。例如,该团队的机器犬,能够执行跳跃动作,在多种配置或方向行走,并恢复方向,姿势,以及倾覆后的稳定性。此外,机器人的功率重量比非常高,使它能够从24厘米的起始高度跳到65厘米。

这种机器狗的高级行为可能会使机器人界受益,因为它降低了进入机器人领域的门槛,并导致机器人的进一步扩展。未来的改进还可能使机器人能够操纵环境,并集成先进的通信技术,比如5G。据纽约大学坦登大学的副教授卢多维克·Righetti说,各大学已经开始接触纽约大学坦登大学的研究人员,希望复制他们的机器人用于研究。

Righetti说:“已经有很多大学与我们接洽,希望复制我们的机器人,并将其用作研究平台。”“我们的机器人平台是快速原型和构建高性能硬件的理想基础。反过来,我们也会受益,因为其他研究人员可以为这个项目做出贡献;例如,法国LAAS-CNRS的同事们已经开发了一种电子板,帮助通过WiFi与机器人进行交流。”

研究小组的下一步是继续开发新的Solo 12版的狗机器人。它共有12个执行器,每条腿3个,最初的测试表明,它甚至比它的前辈更多功能,能够显示更广泛的复杂行为。

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研究人员的机器狗被证明能够跳跃,以多种形态行走,恢复方向、姿势和稳定性
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