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100000块多米诺骨牌拼成超级马里奥 这款机器人1天就完成了

美国工程师兼YouTube博主Mark Rober创造出了一个可以自动摆放多米诺骨牌的机器人。这个机器人被命名为Dominator,它可以在短短24小时之内将十万多块骨牌变为一幅马里奥的图画。这项工作如果让人来做的话,至少需要7个人花费一周的时间。

当然,Dominator机器人并非Mark Rober自己的成果,他谈道这是他们一个四人团队多年工作的结晶,其中经历了多次的失败才有了现在的Dominator。

这也不是Mark Rober的第一个脑洞大开的作品,他曾创造过一块可以自动追踪飞镖的镖盘,以及一个可以根据篮球飞行轨迹自动调整篮板角度的篮球架,让你投飞镖或投篮时能够百发百中。这些作品让他在YouTube上走红。

一、四个人要用多米诺骨牌填满体育场

Dominator的故事是从2019年开始的。

当时Mark Rober在旧金山湾区举行了一次演讲。演讲中他谈到他一直想制作一个机器人,利用这个机器人能够在一夜之间将成吨的多米诺骨牌搭起来,并填满整个体育场。但是他进行过一些尝试后没有成功。

这个想法吸引到了Alex Baucom的兴趣,他有过开发机器人的经验,并且平时最大的爱好就是建造机器人,因此立刻与Mark Rober取得了联系。

另外这场演讲也吸引到了斯坦福机械工程专业的学生John Luke和Josh。四人一拍即合,于是一个多米诺机器人团队就此诞生。

二、出师不利,三大挑战亟待解决

Dominator的创造并非一帆风顺,团队刚开始工作就发现实现这个创举要面临三大挑战。

第一个挑战是这项创举的规模太大,以至于超出了最初的设想。

Mark Rober希望机器人能够放置至少10万块多米诺骨牌,最初他们设想机器人直接携带上所有骨牌并一块一块地摆放。但是团队进行计算后发现10万块骨牌有850公斤重,并且即使以3秒/块的速度摆放也至少需要三天半的时间。因此他们不得不改变最初的思路,改用一个托盘装下一部分摆放好的骨牌,再将这些骨牌摆放到正确的位置。

第二项挑战是机器人的定位要做到极其精准。

机器人要能够将多米诺骨牌摆放的足够近,才能让骨牌倒下后碰倒其他骨牌。但是又不能将骨牌放得太近,否则摆放过程中就有可能把骨牌碰倒导致前功尽弃。同时,机器人本身也必须要有准确的定位,否则也会将已经摆放好的骨牌碰倒。

团队最初想使用超声波传感器判断骨牌与机器人的相对位置,但后来被证实是失败的。后来该团队又尝试了Marvlemind室内“GPS”传感器,发现这也达不到想要的效果。

第三项挑战是要让机器人能够保持准确的移动路线。

机器人定位的问题即便能够解决,但如果它控制不了自己的运动,仍然无法足够准确的放置多米诺骨牌,同时也更容易将骨牌给碰倒。团队决定使用一种全向驱动系统来简化这个问题,利用这个系统可以让机器人执行小幅度的矫正运动来和多米诺骨牌对齐。

他们购买了一个麦卡纳姆轮(Mecanum wheel)套件来进行测试,并制作了第一个小型机器人原型机,发现这个想法能够起作用。但是团队很快发现制作的第一个原型机太小了,并起不到什么实质性的帮助作用,于是他们又制作了一个较大的机器人,并将麦卡纳姆轮换成了真正的全向轮(Omni wheel)。

这个新的原型机帮助他们开发了第一个运动系统和控制回路,并完成了许多基础部分的工作。

三、从原型机到真正的机器人,选择电机成了大难题

当团队决定从原型机过渡到真正的机器人时,发现仍有几个困难在等着他们。

首先他们根本不知道如何为机器人选择正确的电机。该团队一开始尝试的是步进电机(stepper motors),结果证明这种电机的尺寸过小,无法承载所需要的负载,也无法让让机器人以较快的速度移动。

之后他们又尝试了直流电机(DC motors),发现这种电机无法提供足够的扭矩来控制机器人,有时机器人的轮子会打滑,导致机器人疯狂旋转。

Mark Rober只好联系了其他人寻求帮助,最后在专业人士的指导下,他们选择了ClearPath伺服电机(servos motors)来驱动机器人。利用这种电机能够精准地提供大量扭矩来更好的控制机器人的移动,保证车轮不会打滑。

在选择电机的同时他们也决定将机器人的主计算机从Arduino换为树莓派(Raspberry Pi)。使用树莓派可以让传感器的延迟变得更低,但是也让代码变得复杂起来。

团队在移植机器人所需的软件时遇到了一些挑战,比如整个系统变得更加复杂、需要重新学习如何用C++来构建系统等。但最终他们还是完成了主计算机的更换。

上面的问题解决后,机器人终于可以在新的软件系统的驱动下实现稳定可控的行驶,下一步该团队需要把一个托盘添加到机器的前面,用于摆放多米诺骨牌。

他们编写了一个简单的程序,来控制机器人放置骨牌和归位的动作,然后这个装置竟异常顺利的开始工作了。Alex Baucom称这是这一整个项目中为数不多的没有出现过重大问题的部分之一。

四、摆放多米诺骨牌,还要打通“最后一厘米”

根据早期原型机的测试结果,团队计划使用Marvelmind传感器来为机器人定位,因为它的精度已经达到了亚厘米级。如果实际效果不够好的话,他们还计划添加超声波传感器来辅助检测多米诺骨牌。

但这里依旧没那么顺利,他们发现这两个计划仍然行不通,多米诺骨牌太小,以至于传感器有时无法有效地检测到它们。

经过几天的尝试,他们决定放弃超声波传感器,并对Marvelmind传感器的位置进行调整,之后他们又在机器人上添加了朝向地面的摄像头,来检测地面的标记。经过测试和调试后,证明这一方案是有效的。

五、一天摆放10万块多米诺骨牌,还打破了世界纪录

终于机器人的所有部件都已准备到位,可以开始骨牌的摆放工作了。

从外观来看,这个机器人的主体由带有钢底板的框架构成,驱动系统安装在底板上。机器人前面有一个大托盘,能够一次性放置300多块多米诺骨牌。托盘顶部是由3D打印制作的漏斗,用于让骨牌更容易地落入相应的网格中。机器人背部被添加了很大的配重,以确保后轮与地面之间能产生足够的摩擦力而避免打滑。

在多米诺骨牌摆放工作开始之前,该团队还向多米诺骨牌艺术家、YouTube博主Lily Hevesh发起了挑战。最终机器人仅仅用了24个小时就完成了所有的工作,将10万块骨牌摆在了正确的位置。Alex Baucom称这创造了新的世界纪录。

结语:为一个疯狂的梦想奋斗两年,太酷了!

因为一个用多米诺骨牌填满体育场这样疯狂的梦想,Mark Rober与其他三位伙伴为之奋斗了两年,最终创造出了Dominator这样一个机器人。

虽然这项工作看起来并不复杂,只是让机器人搬运骨牌,然后再摆放到正确的位置,但这一过程实现起来却异常艰难。实现这项工作,不仅需要机器人能够精准定位,还要保持精确的行走路线,并且摆放过程要保持绝对稳定,否则任何一个轻微的抖动都会使已经摆放好的骨牌“全军覆没”。

Mark Rober的团队在这两年中碰到了一个又一个的困难,又将他们一一解决,在这个过程中他们收获到的不仅是梦想被实现的满足,还有宝贵的实战经验。这些实战经验,也能为已应用于工厂、仓储物流等领域的搬运机器人提供借鉴的价值。

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