7 月 30 日消息，美國(guó)工程師兼 YouTube 博主 Mark Rober 創(chuàng)造出了一個(gè)可以自動(dòng)擺放多米諾骨牌的機(jī)器人。這個(gè)機(jī)器人被命名為 Dominator，它可以在短短 24 小時(shí)之內(nèi)將十萬(wàn)多塊骨牌變?yōu)橐环R里奧的圖畫(huà)。這項(xiàng)工作如果讓人來(lái)做的話(huà)，至少需要 7 個(gè)人花費(fèi)一周的時(shí)間。
▲ 機(jī)器人與被擺放出來(lái)的馬里奧
當(dāng)然，Dominator 機(jī)器人并非 Mark Rober 自己的成果，他談道這是他們一個(gè)四人團(tuán)隊(duì)多年工作的結(jié)晶，其中經(jīng)歷了多次的失敗才有了現(xiàn)在的 Dominator。
這也不是 Mark Rober 的第一個(gè)腦洞大開(kāi)的作品，他曾創(chuàng)造過(guò)一塊可以自動(dòng)追蹤飛鏢的鏢盤(pán)，以及一個(gè)可以根據(jù)籃球飛行軌跡自動(dòng)調(diào)整籃板角度的籃球架，讓你投飛鏢或投籃時(shí)能夠百發(fā)百中。這些作品讓他在 YouTube 上走紅。
01. 四個(gè)人要用多米諾骨牌填滿(mǎn)體育場(chǎng)
Dominator 的故事是從 2019 年開(kāi)始的。
當(dāng)時(shí) Mark Rober 在舊金山灣區(qū)舉行了一次演講。演講中他談到他一直想制作一個(gè)機(jī)器人，利用這個(gè)機(jī)器人能夠在一夜之間將成噸的多米諾骨牌搭起來(lái)，并填滿(mǎn)整個(gè)體育場(chǎng)。但是他進(jìn)行過(guò)一些嘗試后沒(méi)有成功。
這個(gè)想法吸引到了 Alex Baucom 的興趣，他有過(guò)開(kāi)發(fā)機(jī)器人的經(jīng)驗(yàn)，并且平時(shí)最大的愛(ài)好就是建造機(jī)器人，因此立刻與 Mark Rober 取得了聯(lián)系。
另外這場(chǎng)演講也吸引到了斯坦福機(jī)械工程專(zhuān)業(yè)的學(xué)生 John Luke 和 Josh。四人一拍即合，于是一個(gè)多米諾機(jī)器人團(tuán)隊(duì)就此誕生。
▲ John Luke（左一）、Josh（左二）、Alex Baucom（左三）、Mark Rober（左四）
02. 出師不利，三大挑戰(zhàn)亟待解決
Dominator 的創(chuàng)造并非一帆風(fēng)順，團(tuán)隊(duì)剛開(kāi)始工作就發(fā)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)這個(gè)創(chuàng)舉要面臨三大挑戰(zhàn)。
第一個(gè)挑戰(zhàn)是這項(xiàng)創(chuàng)舉的規(guī)模太大，以至于超出了最初的設(shè)想。
Mark Rober 希望機(jī)器人能夠放置至少 10 萬(wàn)塊多米諾骨牌，最初他們?cè)O(shè)想機(jī)器人直接攜帶上所有骨牌并一塊一塊地?cái)[放。但是團(tuán)隊(duì)進(jìn)行計(jì)算后發(fā)現(xiàn) 10 萬(wàn)塊骨牌有 850 公斤重，并且即使以 3 秒/塊的速度擺放也至少需要三天半的時(shí)間。因此他們不得不改變最初的思路，改用一個(gè)托盤(pán)裝下一部分?jǐn)[放好的骨牌，再將這些骨牌擺放到正確的位置。
▲ 最初設(shè)想的機(jī)器人草圖
第二項(xiàng)挑戰(zhàn)是機(jī)器人的定位要做到極其精準(zhǔn)。
機(jī)器人要能夠?qū)⒍嗝字Z骨牌擺放的足夠近，才能讓骨牌倒下后碰倒其他骨牌。但是又不能將骨牌放得太近，否則擺放過(guò)程中就有可能把骨牌碰倒導(dǎo)致前功盡棄。同時(shí)，機(jī)器人本身也必須要有準(zhǔn)確的定位，否則也會(huì)將已經(jīng)擺放好的骨牌碰倒。
團(tuán)隊(duì)最初想使用超聲波傳感器判斷骨牌與機(jī)器人的相對(duì)位置，但后來(lái)被證實(shí)是失敗的。后來(lái)該團(tuán)隊(duì)又嘗試了 Marvlemind 室內(nèi)“GPS”傳感器，發(fā)現(xiàn)這也達(dá)不到想要的效果。
第三項(xiàng)挑戰(zhàn)是要讓機(jī)器人能夠保持準(zhǔn)確的移動(dòng)路線(xiàn)。
機(jī)器人定位的問(wèn)題即便能夠解決，但如果它控制不了自己的運(yùn)動(dòng)，仍然無(wú)法足夠準(zhǔn)確的放置多米諾骨牌，同時(shí)也更容易將骨牌給碰倒。團(tuán)隊(duì)決定使用一種全向驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來(lái)簡(jiǎn)化這個(gè)問(wèn)題，利用這個(gè)系統(tǒng)可以讓機(jī)器人執(zhí)行小幅度的矯正運(yùn)動(dòng)來(lái)和多米諾骨牌對(duì)齊。
他們購(gòu)買(mǎi)了一個(gè)麥卡納姆輪（Mecanum wheel）套件來(lái)進(jìn)行測(cè)試，并制作了第一個(gè)小型機(jī)器人原型機(jī)，發(fā)現(xiàn)這個(gè)想法能夠起作用。但是團(tuán)隊(duì)很快發(fā)現(xiàn)制作的第一個(gè)原型機(jī)太小了，并起不到什么實(shí)質(zhì)性的幫助作用，于是他們又制作了一個(gè)較大的機(jī)器人，并將麥卡納姆輪換成了真正的全向輪（Omni wheel）。
這個(gè)新的原型機(jī)幫助他們開(kāi)發(fā)了第一個(gè)運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)和控制回路，并完成了許多基礎(chǔ)部分的工作。
▲ 裝有麥卡納姆輪的小型原型機(jī)
03. 從原型機(jī)到真正的機(jī)器人選擇電機(jī)成了大難題
當(dāng)團(tuán)隊(duì)決定從原型機(jī)過(guò)渡到真正的機(jī)器人時(shí)，發(fā)現(xiàn)仍有幾個(gè)困難在等著他們。
首先他們根本不知道如何為機(jī)器人選擇正確的電機(jī)。該團(tuán)隊(duì)一開(kāi)始嘗試的是步進(jìn)電機(jī)（stepper motors），結(jié)果證明這種電機(jī)的尺寸過(guò)小，無(wú)法承載所需要的負(fù)載，也無(wú)法讓讓機(jī)器人以較快的速度移動(dòng)。
之后他們又嘗試了直流電機(jī)（DC motors），發(fā)現(xiàn)這種電機(jī)無(wú)法提供足夠的扭矩來(lái)控制機(jī)器人，有時(shí)機(jī)器人的輪子會(huì)打滑，導(dǎo)致機(jī)器人瘋狂旋轉(zhuǎn)。
▲ 機(jī)器人失控打滑
Mark Rober 只好聯(lián)系了其他人尋求幫助，最后在專(zhuān)業(yè)人士的指導(dǎo)下，他們選擇了 ClearPath 伺服電機(jī)（servos motors）來(lái)驅(qū)動(dòng)機(jī)器人。利用這種電機(jī)能夠精準(zhǔn)地提供大量扭矩來(lái)更好的控制機(jī)器人的移動(dòng)，保證車(chē)輪不會(huì)打滑。
在選擇電機(jī)的同時(shí)他們也決定將機(jī)器人的主計(jì)算機(jī)從 Arduino 換為樹(shù)莓派（Raspberry Pi）。使用樹(shù)莓派可以讓傳感器的延遲變得更低，但是也讓代碼變得復(fù)雜起來(lái)。
團(tuán)隊(duì)在移植機(jī)器人所需的軟件時(shí)遇到了一些挑戰(zhàn)，比如整個(gè)系統(tǒng)變得更加復(fù)雜、需要重新學(xué)習(xí)如何用 C++ 來(lái)構(gòu)建系統(tǒng)等。但最終他們還是完成了主計(jì)算機(jī)的更換。
上面的問(wèn)題解決后，機(jī)器人終于可以在新的軟件系統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)下實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可控的行駛，下一步該團(tuán)隊(duì)需要把一個(gè)托盤(pán)添加到機(jī)器的前面，用于擺放多米諾骨牌。
他們編寫(xiě)了一個(gè)簡(jiǎn)單的程序，來(lái)控制機(jī)器人放置骨牌和歸位的動(dòng)作，然后這個(gè)裝置竟異常順利的開(kāi)始工作了。Alex Baucom 稱(chēng)這是這一整個(gè)項(xiàng)目中為數(shù)不多的沒(méi)有出現(xiàn)過(guò)重大問(wèn)題的部分之一。
▲ 正在擺放骨牌的托盤(pán)
04. 擺放多米諾骨牌，還要打通“最后一厘米”
根據(jù)早期原型機(jī)的測(cè)試結(jié)果，團(tuán)隊(duì)計(jì)劃使用 Marvelmind 傳感器來(lái)為機(jī)器人定位，因?yàn)樗木纫呀?jīng)達(dá)到了亞厘米級(jí)。如果實(shí)際效果不夠好的話(huà)，他們還計(jì)劃添加超聲波傳感器來(lái)輔助檢測(cè)多米諾骨牌。
但這里依舊沒(méi)那么順利，他們發(fā)現(xiàn)這兩個(gè)計(jì)劃仍然行不通，多米諾骨牌太小，以至于傳感器有時(shí)無(wú)法有效地檢測(cè)到它們。
經(jīng)過(guò)幾天的嘗試，他們決定放棄超聲波傳感器，并對(duì) Marvelmind 傳感器的位置進(jìn)行調(diào)整，之后他們又在機(jī)器人上添加了朝向地面的攝像頭，來(lái)檢測(cè)地面的標(biāo)記。經(jīng)過(guò)測(cè)試和調(diào)試后，證明這一方案是有效的。
▲ 機(jī)器人準(zhǔn)確定位并擺放骨牌
05. 一天擺放 10 萬(wàn)塊多米諾骨牌，還打破了世界紀(jì)錄
終于機(jī)器人的所有部件都已準(zhǔn)備到位，可以開(kāi)始骨牌的擺放工作了。
▲ 馬里奧圖像的擺放過(guò)程
從外觀(guān)來(lái)看，這個(gè)機(jī)器人的主體由帶有鋼底板的框架構(gòu)成，驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)安裝在底板上。機(jī)器人前面有一個(gè)大托盤(pán)，能夠一次性放置 300 多塊多米諾骨牌。托盤(pán)頂部是由 3D 打印制作的漏斗，用于讓骨牌更容易地落入相應(yīng)的網(wǎng)格中。機(jī)器人背部被添加了很大的配重，以確保后輪與地面之間能產(chǎn)生足夠的摩擦力而避免打滑。
▲ 機(jī)器人的外觀(guān)及各硬件
在多米諾骨牌擺放工作開(kāi)始之前，該團(tuán)隊(duì)還向多米諾骨牌藝術(shù)家、YouTube 博主 Lily Hevesh 發(fā)起了挑戰(zhàn)。最終機(jī)器人僅僅用了 24 個(gè)小時(shí)就完成了所有的工作，將 10 萬(wàn)塊骨牌擺在了正確的位置。Alex Baucom 稱(chēng)這創(chuàng)造了新的世界紀(jì)錄。
▲ 多米諾被推翻
06. 結(jié)語(yǔ)：為一個(gè)瘋狂的夢(mèng)想奮斗兩年，太酷了！
因?yàn)橐粋€(gè)用多米諾骨牌填滿(mǎn)體育場(chǎng)這樣瘋狂的夢(mèng)想，Mark Rober 與其他三位伙伴為之奮斗了兩年，最終創(chuàng)造出了 Dominator 這樣一個(gè)機(jī)器人。
雖然這項(xiàng)工作看起來(lái)并不復(fù)雜，只是讓機(jī)器人搬運(yùn)骨牌，然后再擺放到正確的位置，但這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)起來(lái)卻異常艱難。實(shí)現(xiàn)這項(xiàng)工作，不僅需要機(jī)器人能夠精準(zhǔn)定位，還要保持精確的行走路線(xiàn)，并且擺放過(guò)程要保持絕對(duì)穩(wěn)定，否則任何一個(gè)輕微的抖動(dòng)都會(huì)使已經(jīng)擺放好的骨牌“全軍覆沒(méi)”。
Mark Rober 的團(tuán)隊(duì)在這兩年中碰到了一個(gè)又一個(gè)的困難，又將他們一一解決，在這個(gè)過(guò)程中他們收獲到的不僅是夢(mèng)想被實(shí)現(xiàn)的滿(mǎn)足，還有寶貴的實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)。這些實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)，也能為已應(yīng)用于工廠(chǎng)、倉(cāng)儲(chǔ)物流等領(lǐng)域的搬運(yùn)機(jī)器人提供借鑒的價(jià)值。
廣告聲明：文內(nèi)含有的對(duì)外跳轉(zhuǎn)鏈接（包括不限于超鏈接、二維碼、口令等形式），用于傳遞更多信息，節(jié)省甄選時(shí)間，結(jié)果僅供參考，IT之家所有文章均包含本聲明。