Сделай сам большого человекоподобного робота
Название проекта: Multipurpose Mobile Manipulator Mk 1: cделай сам большого человекоподобного робота
Платформа: Arduino, другое
Хотите собрать огромного человекоподобного робота, который играет на фортепиано, рисует картины, готовит еду, поливает растения? Этот проект для вас!
Люди тоскуют и ждут, когда появятся умные машины, которые могли бы помочь им справиться с повседневными делами: приготовление пищи, уборка дома, присмотр за детьми и т.д. Робототехника развивается, но большие гуманоиды еще слишком дороги. Робот ATLAS компании Boston Dynamics не придет к вам на кухню готовить обед:-)
Но энтузиасты считают, что все может измениться, если к созданию роботов будут подключаться все большее количество людей. Автор проекта большого человекоподобного робота Multipurpose Mobile Manipulator MK1-001 (M4.1) надеется, что, выкладывая в открытый доступ инструкцию по его созданию, он ускоряет появление бюджетных интеллектуальных сервисных роботов размером с человека.
Используя робота, можно решать различные задачи.
Играть на фортепиано:
Поливать комнатные растения:
Использованные компоненты: Laptop computer, Arduino Mega 2560 R3, 1x Dual 12V DC Motor Driver, 2x A4988 Stepper Motor Driver, 4x HC-SR04 Ultrasonic и др.
Источник
Хотите шагающего 18-метрового робота? Измените законы физики
Учёные спорят о том, действительно ли самый большой в мире человекоподобный робот – гигантский Гандам, возвышающийся над японским портом Иокогама, – сделал свои первые шаги.
На японском пирсе Ямасита, примерно в 40 километрах к югу от Токио, появился самый большой в мире человекоподобный робот. Он создан по образцу RX-78-2 Gundam, вымышленного робота, который с 1979 года был предметом примерно 50 одноимённых телесериалов и манги. У этого гиганта высотой почти 20 метров 24 степени свободы. Это означает, что он может двигаться в любом направлении.
Однако преподаватели некоторых самых известных факультетов робототехники в США расходятся во мнении, можно ли вообще считать его ходячим роботом.
По-видимому, этот зверский робот – самый большой в мире двуногий шагающий робот. Он стал культовым элементом Йокогамы. 19 декабря прошлого года поклонники начали посещать эту выставку, которая включает в себя музей и кафе.
Но поскольку двигаться этому Гандаму, по-видимому, помогает опорная конструкция, американские робототехники считают его кинетической скульптурой или художественной инсталляцией, движение которой используется для создания некоторого эффекта у зрителя.
Gundam Factory Yokohama, организация, построившая робота, не ответила на многочисленные запросы в связи с этой историей.
Робототехники считают, что если бы робот такого размера действительно ходил, это было бы чудо инженерной мысли, ведь законы физики были бы доведены до своих логических крайностей. В частности, правила подобия диктуют целый ряд изменений в исполнительных механизмах (или двигателях), которые позволяли бы Гандаму поднимать ноги и делать большие шаги.
«Правила подобия означают, что если вы делаете что-то большее, то различные аспекты этого становятся больше или меньше по-разному», – объясняет Энди Руина, доктор философии, профессор машиностроения в Школе механики и аэрокосмической инженерии Корнельского университета Сибли.
Правила подобия применимы не только к робототехнике. Согласно закону Мура, количество транзисторов в кремниевой компьютерной микросхеме удваивается каждые два года по мере развития технологий. «Аллометрия, биологическое исследование взаимосвязи между размерами частей тела и размером всего тела, объясняет, почему муравьи могут перетаскивать груз примерно в 100 раз больше своего веса, а люди – нет», – говорит Руина.
В случае с гигантским Гандамом двигатели, позволяющие огромному роботу двигаться, должны стать значительно мощнее, особенно если каркас выполнен из тяжёлого металла, например из стали. Однако большие двигатели также станут тяжелее и слабее в сравнении необходимыми крутящими моментами или вращательными силами. По словам Криса Аткесона, доктора философии, профессора Института робототехники Университета Карнеги-Меллона, масштабирование «неудачно».
Чтобы обойти эту парадигму, говорит он, инженеры могли бы попытаться создать двигатель совершенно нового типа. «В законах подобия предполагается, что технология всегда одна и та же… но вы можете изменить технологию так, чтобы она работала», – говорит Аткесон.
Математика законов подобия
Основные правила геометрии и физики, а также ограничения прочности материалов – одна из причин, по которой сложно создать роботов, способных шагать.
С ростом линейных размеров двумерные величины, например количество «кожи», нужное для покрытия робота, увеличивается квадратично. Трёхмерные величины, такие как масса, возрастают в степени три. Силы, обусловленные гравитацией, растут в степени три, а силы, обусловленные ускорением, – в степени четыре. Крутящие моменты, вызванные гравитацией, увеличиваются в степени четыре, а крутящие моменты, вызванные угловым ускорением, – в степени пять.
Следовательно, небольшое увеличение размеров приводит к более медленным движениям и необходимости в таких массивных двигателях.
Электрические двигатели, подобные тем, что используются в Gundam, состоят из магнитов двух видов для придания движения. Первый – это постоянный магнит, который часто изготавливают из материалов природного происхождения, таких как редкоземельные металлы. Такие магниты сохраняют свои магнитные свойства даже в отсутствие электрического тока или индуцирующего поля. Также есть электромагниты, в основе которых лежат катушки проволоки, которые действуют как магнит, когда через них проходит электрический ток.
При создании механической энергии двигатели полагаются на взаимодействие между постоянным магнитом и электромагнитом. Поскольку полярностью электромагнита управляет электричество, он вращается, поворачивая ось, которая может управлять ногой Гандама, например.
Чем сильнее такое вращательное движение, тем мощнее должен быть двигатель. Чтобы это произошло, инженеру потребовалось бы большее магнитное поле, объясняет Аткесон. Теоретически, говорит он, можно создать электромагнит размером с нейтронную звезду (сжатое ядро массивной сверхгигантской звезды), но на Земле имеются практические ограничения, поскольку существует предел степени намагничивания объекта.
Аппараты магнитно-резонансной томографии или МРТ как одни из самых сильных искусственных магнитов раздвигают эти границы. Итак, если бы инженеры смогли создать двигатели с мощностью аппарата МРТ, они почти наверняка смогли бы заставить колоссальный Гандам ходить. Конечно, возникают новые проблемы, а именно: в массу робота основной вклад дают 24 исполнительных механизма, необходимых для формирования 24 степеней свободы.
«Возникает чёрная дыра инженерных разработок, из-за которой, независимо от размера исполнительных механизмов, робот всё ещё слишком слаб, чтобы двигаться с желаемой скоростью», — сказал Аткесон. Отчасти поэтому шагающих роботов – и требуемые для них точные передвижения – сложно успешно спроектировать даже ведущим мировым экспертам в области робототехники.
Так что, возможно, этот гигант Гандам действительно не может ходить. По словам Аткесона, в любом случае это инженерное достижение, поскольку он достаточно жёсткий, чтобы двигаться без существенной вибрации. А с его огромными размерами, горящими глазами и способностью махать руками, это такой посол, которым гордилась бы любая страна.
Узнайте подробности, как получить Level Up по навыкам и зарплате или востребованную профессию с нуля. Скидка только для хабравчан 50% по промокоду HABR.
Источник
Опыт создания первого робота на Ардуино (робот-«охотник»)
В данной статье я хочу описать процесс сборки своего первого робота на ардуино. Материал будет полезен другим таким же новичкам, как и я, которые захотят изготовить какую-нибудь «самобеглую тележку». Статья представляет собой описание этапов работы с моими дополнениями по различным нюансам. Ссылка на итоговый код (скорее всего, не самый идеальный) дана в конце статьи.
По мере возможности я привлекал к участию своего сына (8 лет). Что именно с ним получалось, а что нет — на это я выделил часть статьи, возможно, кому-то пригодится.
Общее описание робота
Вначале несколько слов о самом роботе (идея). Собирать что-то типовое на старте не очень хотелось. В то же время, набор компонентов был довольно стандартным — шасси, двигатели, ультразвуковой датчик, датчик линии, светодиоды, пищалка. Вначале из этого «супового набора» был придуман робот, который охраняет свою территорию. Он едет на нарушителя, который пересек линию круга, а потом возвращается в центр. Однако в этом варианте была нужна прочерченная линия, плюс лишняя математика, чтобы постоянно оставаться в круге.
Поэтому после некоторых обдумываний я несколько изменил идею и решил делать робота-«охотника». На старте он поворачивается вокруг своей оси, выбирая поблизости цель (человека). Если «жертва» обнаружена, «охотник» включает мигалку и сирену, и начинает ехать на нее. Когда человек отходит/отбегает, робот выбирает новую цель и преследует ее, и так далее. Такому роботу не нужен ограниченный круг, и он может работать на открытой территории.
Как видите, это во многом напоминает игру «догонялки». Хотя в итоге робот и не получился достаточно резвым, но он честно взаимодействует с окружающими его людьми. Особенно это нравится детям (иногда, правда, кажется, что они вот-вот растопчут его, аж сердце ёкает. ). Думаю, для популяризации технического конструирования это хорошее решение.
Структура робота
Итак, мы определились с идеей, перейдем к компоновке. Список элементов формируется из того, что должен уметь робот. Тут всё вполне очевидно, поэтому сразу посмотрим на нумерацию:
«Мозги» робота — плата arduino uno (1); была в заказанном из Китая наборе. Для наших целей ее вполне хватает (ориентируемся на количество используемых пинов). Из этого же набора мы взяли готовое шасси (2), на которое крепятся два ведущих колеса (3) и одно заднее (свободно вращающееся) (4). Также в наборе был готовый батарейный отсек (5). Спереди у робота стоит ультразвуковой датчик (HC-SR04) (6), сзади — драйвер двигателей (L298N) (7), по центру — светодиод-мигалка (8), и чуть в стороне — пищалка (9).
На этапе компоновки мы смотрим:
— чтобы все влезло
— чтобы было сбалансировано
— чтобы было рационально размещено
Частично это уже сделали за нас китайские коллеги. Так, тяжелый батарейный отсек поставлен в центр, и примерно под ним стоят ведущие колеса. Все остальные платы легкие, их можно размещать по периферии.
- В шасси из набора есть много заводских отверстий, но какая в них логика — я так и не разобрался. Двигатели и аккумуляторный блок закрепились без проблем, дальше началась «подгонка» со сверлением новых отверстий, чтобы закрепить ту или иную плату.
- Весьма выручили латунные стойки и прочий крепеж из запасников (иногда приходилось выкручиваться).
- Шины от каждой платы пропускал через зажимы (опять же нашел в запасниках). Весьма удобно, все провода лежат красиво и не болтаются.
Отдельные блоки
Теперь пройдусь по блокам и расскажу персонально про каждый.
Понятно, что робот должен иметь хороший источник энергии. Варианты могут быть разные, я выбрал вариант с 4 аккумуляторами АА. В сумме они дают примерно 5 В, и такое напряжение можно прямо подать на пин 5V платы arduino (минуя стабилизатор).
Некоторая настороженность, конечно, у меня была, но это решение вполне работоспособно.
Так как питание нужно везде, то для удобства я сделал по центру робота два разъема: один «раздает» землю (справа), а второй — 5 В (слева).
Двигатели и драйвер
Сначала про крепление двигателей. Крепление заводское, но сделано с большими допусками. Другими словами, двигатели могут «вихлять» на пару миллиметров влево-вправо. Для нашей задачи это не критично, а вот где-то может и влиять (робота начнет уводить в сторону). На всякий случай я выставил двигатели строго параллельно и зафиксировал клеем.
Для управления двигателями, как я писал выше, используется драйвер L298N. По документации у него три пина на каждый двигатель: один для изменения скорости и пара пинов для направления вращения. Тут есть один важный момент. Оказывается, если напряжение питания 5 В, то регулировка скорости просто не работает! То есть либо совсем не крутит, либо крутит по максимуму. Вот такая особенность, из-за которой я «убил» пару вечеров. В конце концов, нашел упоминание где-то на одном из форумов.
Вообще говоря, низкая скорость вращения мне требовалась при развороте робота — чтобы он имел запас времени просканировать пространство. Но, так как с такой задумкой ничего не вышло, пришлось делать по другому: небольшой поворот — остановка — поворот — остановка и т. д. Опять же, не столь изящно, но работоспособно.
Еще здесь добавлю, что после каждого преследования робот выбирает случайное направление нового поворота (по или против часовой стрелки).
Еще одна железяка, где пришлось искать компромиссное решение. Ультразвуковой датчик на реальных препятствиях дает нестабильные цифры. Собственно, это было ожидаемо. Идеально он работает где-нибудь на соревнованиях, где есть гладкие, ровные и перпендикулярные поверхности, а вот если перед ним «мелькают» чьи-то ноги — тут нужно вводить дополнительную обработку.
В качестве такой обработки я поставил медианный фильтр на три отсчета. Исходя из тестов на реальных детях (во время тестов ни один ребенок не пострадал!), его оказалось вполне достаточно для нормализации данных. Физика здесь простая: у нас есть сигналы, отраженные от нужных объектов (дающие требуемое расстояние) и отраженные от более далеких, например, стен. Вторые представляют собой случайные выбросы в измерениях вида 45, 46, 230, 46, 46, 45, 45, 310, 46… Именно их медианный фильтр и отсекает.
После всей обработки у нас получается расстояние до ближайшего объекта. Если оно меньше некоторой пороговой величины — тогда мы включаем сигнализацию и едем прямо на «нарушителя».
Мигалка и сирена
Пожалуй, самые простые элементы из всего перечисленного. Их видно на фотографиях выше. По железу здесь писать нечего, поэтому теперь перейдем к коду.
Программа управления
Расписывать детально код я смысла не вижу, кому нужно — ссылка в конце статьи, там всё достаточно читабельно. А вот общую структуру было бы неплохо объяснить.
Первое, что пришлось осмыслить: робот — это устройство реального времени. Точнее, вспомнить, потому что и раньше, и сейчас все равно занимаюсь электроникой. Значит, сразу забываем про вызов delay(), который очень любят использовать в скетчах-примерах, и который просто «замораживает» программу на указанный промежуток времени. Вместо этого, как советуют опытные люди, вводим таймеры на каждый блок. Прошел требуемый промежуток — выполнили действие (увеличили яркость светодиода, включили двигатель и так далее).
Таймеры могут быть взаимосвязаны. Так, например, пищалка работает синхронно с мигалкой. Это чуть упрощает программу.
Естественно, всё разбиваем на отдельные функции (мигалка, звук, поворот, движение вперед и так далее). Если так не делать, то потом уже не разобраться, что откуда и куда.
Нюансы педагогики
Все, что было описано выше, я делал в свободное время по вечерам. В неспешном режиме я потратил на робота где-то недели три. На этом можно было бы и завершиться, но я еще обещал вам рассказать о работе с ребенком. Что выполнимо в таком возрасте?
Работа по инструкции
Каждую деталь мы сначала проверяли отдельно — светодиоды, пищалка, моторы, датчики и т. д. Есть большое количество готовых примеров — какие-то прямо в среде разработки, другие можно найти в интернете. Это, несомненно, радует. Берем код, подключаем деталь, убеждаемся, что работает, далее уже начинаем изменять под свою задачу. Подключения по схеме и под некоторым моим контролем ребенок делает сам. Это хорошо. Работать четко по инструкции тоже надо уметь.
Порядок работы («от частного к общему»)
Вот это сложный пункт. Нужно приучать, что большой проект («сделать робота») состоит из мелких задач («подключить датчик», «подключить моторы». ), а те, в свою очередь, из еще более мелких шагов («найти программу», «подключить плату», «загрузить прошивку». ). Выполняя более-менее понятные задачи нижнего уровня, мы «закрываем» задачи среднего уровня, а из них уже складывается общий результат. Объяснял, но, думаю, осознание придет еще не скоро. Где-то, наверное, к подростковому возрасту.
Сверление, резьбы, винты, гайки, пайка и запах канифоли — куда же без этого. Ребенок получил базовый скилл «Работа с паяльником» — удалось спаять несколько соединений (я чуть-чуть помогал, не скрою). Не забывайте про объяснение техники безопасности.
Работа на компьютере
Программу для робота писал я, но каких-то попутных результатов все-таки удалось достичь.
Первое: английский. В школе его только-только начали, поэтому мы «со скрипом» разбирали, что такое pishalka, migalka, yarkost и прочий транслит. Поняли хотя бы это. Я осознанно не стал использовать родные английские слова, так как до этого уровня мы еще не дошли.
Второе: эффективная работа. Учили горячие комбинации клавиш, как быстро выполнять типовые операции. Периодически, когда писали программу, мы менялись с сыном местами, и я говорил, что нужно сделать (замену, поиск и т.д.). Приходилось повторять снова и снова: «выдели двойным кликом», «зажми Shift», «зажми Ctrl» и так далее. Процесс обучения здесь не быстрый, но, я думаю, навыки постепенно отложатся «в подкорку».
Третье: слепая печать. Комментарии в коде я доверил печатать ребенку (пусть тренируется). Сразу поставили правильно руки, чтобы пальцы постепенно запоминали расположение клавиш.
Как видите, у нас все еще только-только начинается. Навыки и знания будем оттачивать и дальше, в жизни пригодятся.
Кстати, про перспективу…
Дальнейшее развитие
Робот сделан, ездит, мигает и пищит. Что же теперь? Воодушевившись достигнутым, мы планируем дорабатывать его дальше. Есть задумка сделать дистанционное управление — по типу лунохода. Было бы интересно, сидя за условным пультом, контролировать движение робота, который ездит совсем в другом месте. Но это уже будет отдельная история…
И в конце, собственно, герои этой статьи (видео по клику):
Источник