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基于 Raspberry Pi 3 Model B 的可编程高度机动猫

发布时间:2021-11-09
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基于 Raspberry Pi 3 Model B 的可编程高度机动猫

发布时间:2021-11-09
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本方案是一个基于树莓派的用于 STEM 教育和 AI 增强服务的可编程且高度机动的机器猫。

在此之前,您可能已经看过波士顿动力狗和最近发布的索尼 Aibo。它们非常酷,但价格太贵而无法享受。我希望提供一些具有大部分运动功能的负担得起的替代品。我并不是说我可以重现那些机器人巨头的精确动作。我只是打破了从百万美元到数百美元的障碍。我不希望把它送到战场或其他具有挑战性的现实。我只想把这个淘气的哥们安置在一个干净、聪明但又太安静的房子里。

由于资源和知识非常有限,我从小处开始。较小的结构避免了那些较大模型的许多工程挑战。它还允许更快的迭代和优化,就像老鼠比大象适应得更快一样。无论硬件如何,一旦实现了 DoF 的精确映射,就可以共享主要的控制算法。我为多个步态推导出了一个运动算法(有十几个参数)。历史上最快的速度超过 3 个身体长度/秒,通过小跑(2 条腿在空中)实现。由于我不断添加新组件并更改 CoM,而自适应部分还不够好,我为最终模型保留了调整时间。

运动算法目前是在 32KB、16MHz 的 Arduino 板上实现的,几乎在所有地方都通过算法优化耗尽了系统资源。我将改用 256KB、48MHz 的板卡以提高主动适应的性能,并允许未来用户使用额外的代码。考虑到价格,运动由业余爱好者级别(但仍然强大,数字和金属齿轮)伺服驱动。引入了一些弹性结构来缓冲冲击并保护硬件。

运动模块的顶部是一个 RasPi。Pi 不负责控制详细的肢体运动。它侧重于更严肃的问题,例如“我是谁?我从哪里来?我要去哪里?” 它生成思维并将字符串命令发送到 Arduino 从站。运动指令仍然可以以较慢的方式发送到 Arduino。一个人类遥控器坐在中间以拦截机器人对自己身体的控制。它仍然会保留某些本能,比如拒绝跳下悬崖。

目前,我有两个功能原型:

* 迷你模型是一个独立的 8-DoF(最多支持 16-DoF)Arduino 运动模块,拥有多种步态和实时适应的所有技能。代码与完整版兼容,只需更改一个参数。安装尺寸与 RasPi 板的尺寸匹配。所以它也可以是你现有项目的“腿帽”。通过一些增强的“载体”配置,它可以装载大约 1 公斤的额外重量(但当然走得更慢)。它针对 STEM 教育和创客社区。价格将与一些机器人汽车套件相似。

*完整版使用Pi进行更多AI增强感知并指示升级的16-DoF运动模块。除了 Pi 的 wifi 和蓝牙之外,它还带有地面接触、触摸、红外、距离、语音和夜视接口。所有模块都在其轻质机身上进行了测试。它还采用了一些仿生骨骼设计,使其在形态上类似于猫。它针对的是技术背景较少的消费市场。你可以把它想象成一个有腿的 Android 手机或 Alexa,它有一个第三方扩展的应用程序商店。它可以以大约 2.6 倍体长/秒的速度连续运行 60 分钟,也可以连续播放几个小时的视频。我还在脊椎下方保留了一些空间用于额外的板(例如 GPS)。我有一个复制模型的常规程序,但需要更好的工业化以减少劳动力。

* 我还有一个过时的版本,它只使用 Pi 来控制 AI 和运动。所有代码都是用 Python 编写的。如果它正在运行密集的 AI 任务,则运动效果不佳。

这个机器人是我学习常规 RasPi 初学者工具包中所有组件的游乐场。我从工艺棒开始,然后切换到 3D 打印框架以优化性能和形态。2017 年 7 月推出了 Arduino,以实现更好的运动。

我现在正在使用 Mini 套件教授大学机器人课程。我希望销售更多套件来验证市场并带来一些收入以保持项目的进行。完整版还有待完善。我也在申请几个加速器,可能会尝试 Indiegogo。根据我能从哪里获得最好的支持,我可能会创业或使项目完全开源。即使作为商业产品,大多数代码也会随着套件的销售而开源。

如果每个人都可以抓住一个机器人并开始焊接和编码,我相信开源的力量。它不是最终产品,而是展示了不断增长的创客社区所支持的潜力。用户可以专注于在运动(带有 C 的 Arduino)或 AI(带有 Python 的 Pi)部分对其进行编码。并且两者可以通过字符串令牌进行通信。用几行代码教授新的肢体语言和行为也很容易。以前了解 Arduino 或 RasPi 的每个人都可以想象它可能的应用。多年来,我一直对那些动物形状的汽车感到厌烦。现在孩子们可以在一种新型玩具上学习物理和编码。机器人专家可以在更便宜的平台上专注于他们的步行算法。软件开发人员可以在类似宠物的机器人上编写人工智能增强应用程序,而不是在“带轮子的 iPad”上。

完整版猫需要多个带有各种细丝的精确打印结构。打印和后处理(涉及丙酮)需要大约两天的时间。它们必须与特定的配件和工具组装在一起。一些机制的设计精度小于 0.2 毫米,我目前正在通过仔细归档对其进行调整。即使是焊接或接线的替代方式也可能导致组装麻烦。

我认为最经济(和安全)的方法是投资一些昂贵的注塑模具,然后进行批量生产,至少对于关键机械零件而言。

本项目所用到的一些代码

如果您对此项目有任何想法、意见或问题,请在下方留言。

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