一篇文章告诉你:如何从零开始打造家用机器人

2016-08-17 10:32:24     作者:杨波      来源:雷锋网

在过去的三十年中,在缩形技术逐步发展起来的同时,机器人控制器的基本促动机制却裹足不前,甚至那些创新型协作机器人仍在使用谐波齿轮和高速电动机进行促动。

雷锋网按:本文作者Bernt Øivind Børnich & Phuong Nguyen,来源robohub,由雷锋网(搜索“雷锋网”公众号关注)独家编译,未经许可拒绝转载!

机器人Eve是我们利用力量控制,从零开始打造出来的,我们想让它像人类一样敏捷、高效。接下来,我们将聊聊这样打造Eve的原因,这些想法或许能为我们脱离工业制造的束缚提供一些灵感。

一些背景

1987年,Halodi Robotics的创始人Pål Løken在一间技术型大学读书,他见证了新一代工业机器人的诞生。那时候,人们热切希望看到更便宜、体积更小的商业机器人,并认为这种机器人的到来已经指日可待。可是,大约30年后的今天,我们仍在翘首期待着。当Pål认为是时候见证智能且便宜的消费型机器人的诞生时,我们就创造了Eve。

当我们准备要打造Eve的时候,我们先研究了谐波齿轮和高速电动机的传统工艺制法。众所周知,工业型机器人的生产中大多采用这种技术。但是我们意识到,这种技术会提高造价,同时限制机器人的运作和可控性。

在过去的三十年中,在缩形技术逐步发展起来的同时,机器人控制器的基本促动机制却裹足不前,甚至那些创新型协作机器人仍在使用谐波齿轮和高速电动机进行促动。

以下是我们打造Eve时考虑到的几点因素:

摩擦力

在齿轮运作中,需要选择其间隙和摩擦之间的平衡点,而在机器人技术中,低齿轮间隙点可以获得更好地准确度和复制性。这会导致发动机自身产生极高的摩擦力,另外,摩擦力是由齿轮比例决定的,一般最小的是100:1。要意识到的是,现在,摩擦力和齿轮间隙都不能精准地塑模。

反射惯性

当齿轮以100:1的速率驱动发动机运作时,旋翼和杆需要比咬合点转动快100下。因为运动力以速度的平方在运转,惯性是总齿轮比的平方,所以就是10000下。这意味着,就算是非常轻的旋翼和杆也会让机械臂对外界力变得非常不敏感。

驱动机械臂力

驱动机械臂力是外部环境向发动机直接传输的能量,因此驱动机械臂力反映了外部环境中的力量的可控性。同时,驱动机械臂力还受摩擦力和反射惯性控制。

我们的方法

在传统机器人控制中,驱动机械臂力的缺失可以视为一个优势。通过控制一个在高处运作的齿轮,咬合点会高度受压、分离,以至可以抵抗外部压力。这个方法有极好的定位精准度和速度控制性,但是它与接触力不兼容,所以我们要确保它的高精准度,并配备一些弹跳/减震系统。

正常情况下,下一步要解决的是控制力的问题,这在过去的几年里已经取得了长足的进步,但研究结果至今还停留在学术界——一般只有模仿的系统,因为极大的摩擦力和齿轮间隙让机器人无法高效使用这些控制器。控制力通过操控不同的公式,让它们能够产生发动机需要的最佳扭转力。这当中产生了许多更柔软、高效的动力,包括触点压力。

显而易见的是,家用机器人必须是全力控制的机器人,它的咬合点要具备更多的驱动机械臂力。

低总齿轮比的机械臂会比人类的手臂更强壮吗?

我们针对市面上的商业化发动机做了一项调查,答案是否定的,很多发动机只适应中速到高速的运转。这是因为效率随着每分钟转数的增加而增加,而热功率的减少变得更少——这个假设在考虑到整个系统的条件下就不成立了。在齿轮高速运转的系统中,很多能量以摩擦力和齿轮间隙的方式消耗了,这让整体效率比发动机效率低很多。如果我们可以用金属项圈造一个发动机的话,驱动机械臂力可以让外部环境和发动机之前的能量流动消耗得更少,让我们能通过再生制动重新获得这些能量,补偿热功率的流失。在机器人技术中,这个原理更能成立,因为很多运动起始的能量值几乎相同。

在翻阅大量书籍和研究成果后,我们认为发动机技术的下一个突破点在金属项圈上,而不是速度。最后我们研制出了超前的发动机技术,它能让运载重量比是市面上发动机四倍的金属项圈。

有了发动机上的金属项圈,我们开始研发REVO-1。借鉴从力触觉领域得到的灵感,我们采用了一个由电缆驱动的差分传输。

REVO-1通过在每个转移点上反固定的一组混合电缆进行运作,我们花了很长时间确定电缆的几何学构造和它们的包裹物不会导致电缆变形,这让我们能将电缆拉长到齿轮间隙为零的长度。另外,近乎完美的几何构造让的电缆永远不会变形,摩擦力接近零,同时也不产生任何噪音。最后一步是要让咬合点存在各种差异性,并由不同的电缆驱动。除了压缩咬合点并将更多的重量移动到运动链系上,它还能让一对发动机共享能源——这让机器人变强两倍!

另外,这让Eve的摩擦力和惯性变得很低,低到你用指头触摸,就可以自如地移动她。就算所有能量都转移到了发动机上,她也能承受住各种压力,毫发无伤。

因为我们完全掌控了动力,我们知道手臂应该如何运动,以及它和外动力之前的任何偏离,这让我们打造了一个7自由度机械臂。

关于造价

Eve是一个很复杂的机器,它的外表是铝、铁以及复合电缆。E-Ink display, FPGAs, IMUs以及其它感应器都是批量生产且廉价的,这使发动机、驱动程序和编码器的造价相对昂贵。因为他们是内部制造的产物,所以我们从一开始就关注生产可行性。确保低价使我们相信,未来我们能达到以价格主导的销售目标。

测试开始后,我们惊喜地发现,在没有载物的情况下,机械手臂的移动使用了大约2到15瓦。对移动不受限制的机器人而言,能量的消耗至关重要,电池的大小也是造价的关键因素。

怎么看待当前市场上的协作型机器人?它们也以反转作为卖点?

要实现反转,有以下几个关键点:

1. 模拟力量感应器的使用,对外部能量进行虚拟转化;

2. 用有弹性的促动器与弹跳器兼容;

3.低总齿轮比(大概100左右),使巨大的外部力量得以转换。

虽然它能在低速条件下良好运转,但是在与外界互动的过程中,它尚不能模拟人类手臂的敏捷度和速度。

我们的机器人真的实现了反转以及低摩擦力,在机械操作上,它能在控制软件中移动物体——这意味着Eve的前景十分光明,我们希望在未来的若干年里,能与学界以及机器人社区合作,将其灵敏度和速度不断推向极限。

机器人的下一步怎么走?

目前,我们在寻找投资方,帮助打造Eve的云大脑,这样就可以将她从产品原型推向大规模工业生产。在这样一个集能力与低价为一身的机器人身上,我们想要打造她大脑内的生态系统。我们希望让Eve聪明到知道如何导航并分析周围的环境、注意到物体在哪里,并能够精准地抓住它们。利用这些信息,它就能执行更复杂的复合型任务——在云端的App store中这将以众包的方式实现。欲知详情,请点击www.halodi.com

目前,我们在研发Eve原型的第二个版本,主要是为了能展示给大家看。那么,请继续关注我们吧!

via robohub

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