Человекоподобный робот DARwIn-OP с открытым аппартным и программным обеспечением

В статье представлена методика проектирования гуманоида, который имеет распределенную, модульную структуру на основе стандартных ПК. Мы разработали платформу DARwIn-OP, которая является гуманоидной платформой с открытым аппаратным и программным обеспечением. DARwIn-OP имеет расширяемую систему, высокую производительность, удобную среду разработки. Он прост в обслуживании и имеет относитльно низкую цену. Все ресурсы DARwIn-OP, включая исходные коды, схемы, диаграммы, механические CAD-файлы, а также информационная часть открыты для публики.

Введение

В последнее время было разработано много разновидностей человекоподобных роботов, такие как ASIMO, HRP, LOLA, и HUBO. На основе этих гуманоидов были проведены различные исследования в области робототехники: движение, ходьба, управление, коммуникация, компьютерное зрение, искусственный интеллект, и были показаны замечательные результаты. Не будет преувеличением, если сказать, что гуманоид является наиболее адекватной платформой для проведения исследований в робототехнике.

Хотя уже существуют чудесные гуманоиды, но они либо дороги, либо не продаются, поэтому многие исследователи по-прежнему прилагают усилия и тратят время на строительство новых платформ. Для некоторых исследователей это возможно одна из важнейших работ по созданию робота, т.к. их схемы и дизайн являются одним из наиболее важных научных направлений. Для других, это может быть бремя, сделать нового робота, и кроме того, это может быть основным сдерживающим фактором для исследований. Тем не менее, исследователи не имеют иного выбора, кроме как построить соответствующую платформу, для их собственной исследовательской области.

Чтобы решить эту проблему, гуманоид должен быть построен с учётом всевозможных расширений и модификаций системы, должен иметь высокую производительностью и должен быть прост в обслуживании, среда разработки должна быть знакома и при этом такой робот должен иметь доступную цену. Поэтому в данной работе, мы описываем методологию разработки для гуманоидных платформ DARwin-OP (Динамических Антропоморфных Роботов с Интеллектом – Открытая Платформа). Как показано на рис. 1, DARwin-OP имеет модульную структуру, но при этом у него стандартная архитектура ПК, отвечающая вышеуказанным требованиям.

Рис. 1. Гуманоидная платформа DARwIn-OP

Обзор системы.

Рис. 2 показывает сеть на основе модульной структуры и стандартной архитектуры ПК DARwIn-OP. Все устройства, такие как приводы, датчики, светодиоды, кнопки и внешние устройства ввода/вывода, подключаются к вспомогательному контроллеру, который полностью поддерживает протокол DYNAMIXEL. Каждое устройство имеет уникальный ID и набор команд.

Для основного контроллера мы взяли процессор Intel’s ATOM Z530 CPU, который обычно используется для нетбуков. Главный контроллер взаимодействует со вспомогательным контролером по USB. Вспомогательный контроллер работает как шлюз для устройства доступа. Таким образом, все устройства инкапсулированы в качестве USB-устройства, что существенно упрощает их использование и процесс разработки.

Рис. 2. Блок-схема системы

Структура аппаратного обеспечения.

Механика.

Рис. 3 показывает общую схему корпуса DARwIn-OP. Базовая конфигурация  DARwIn-OP имеет 20 степеней свободы (DOF). Центр массы расположен в центре таза. Это оптимальное местоположение для правильной нагрузки и правильного распределения инерции при ходьбе, особенно в конечностях. Кинематическая информация DARwIn-OP показана на рис. 4.

Рис. 3. Кинематика DARwIn-OP

Рис. 4. Механическая конструкция DARwIn-OP

Модульная природа робота может помочь исследователю изменять движения любой конечности путем изолирования желаемой конечности от остальной части тела, практически никак не влияя на производительность DARwIn-OP.

Механическая структура для DARwIn-OP была разработана прочной и долговечной. Полая структура позволяет роботу поддерживать достаточно низкий общий вес и устанавливать дополнительные датчики. Конструкция специально рассчитана на установку дополнительных датчиков и прокладку соединительных проводов. Так же подобный дизайн облегчает периодическое техническое обслуживание робота.

Были разработаны различные дополнительные механические части для подключения приводов и других устройств. Эти части показаны на рис. 5.

Рис. 5. Различные типы захватов для DARwIn-OP

Приводы.

Мы разработали новый, улучшенный MX-28 привод для DARwIn-OP показанный на рис. 6. MX-28 имеет большее разрешение, у него больше скорость передачи данных и более мощный контроллер по сравнению с предыдущим RX-28.

Рис. 6. MX-28 привод для DARwIn-OP

Предыдущая модель RX-28 была оснащена потенциометром для управления положением. Со временем контакты потенциометра изнашивались. В MX-28 используется абсолютный бесконтактный магнитный потенциометр. Отсутствие механического контакта снимает ограничения с рабочих углов исполнительного механизма. Другой особенностью MX-28 является увеличенное до 12-bit разрешение, обеспечивающее более точное позиционирование на всем диапазоне в 360° без каких-либо ограничений.

MX-28 имеет PID контроллеры для управления положением и скоростью вращения сервомоторов. Пользователь может регулировать не только положение и профиль скорости, а также PID параметры в режиме реального времени. Одна из целей открытого доступа к PID контроллерам в режиме реального времени является сведение к минимуму гармонического резонанса. В результате чего при умелом управлении, PID контроллер обеспечивает высочайшую производительность для DARwIn-OP в различных режимах работы.

Датчики.

DARwIn-OP имеет много датчиков, как показано на рис. 7, которые поддерживают сетевые модульные структуры. Основные датчики 3-осевой гироскоп и 3-осевой акселерометр для оценки осанки и балансировки, установлены в верхней части тела. В голове расположены три микрофона и камера. Дополнительный датчик, регистр силы зондирования  (FSR), размещён в каждой ноге для измерения силы реакции земли. Дополнительные датчики также могут быть подключены через внешние I/O, по усмотрению пользователя.

Рис. 7. Информация об устройстве

DARwIn-OP имеет на борту множество датчиков как показано на рис. 7, которые объединены в общую сеть. Основные датчики - это 3х-осевой гироскоп и 3х-осевой акселерометр для определения положения тела и поддержания равновесия. Они размещены в верней части корпуса робота. USB камера и три микрофона установлены в голове. Дополнительные датчики, например датчики измерения силы размещены на каждой ступне. Дополнительные датчики могут подключаться через порты ввода/вывода по желанию пользователя.

DARwIn-OP в полной мере использует 3х-осевой акселерометр и гироскоп для балансировки и оценки положения, без ущерба для производительности. В сочетании с надлежащей реализацией системы управления с обратной связью на основе «немедленного исполнения команды» DARwIn-OP сможет увеличить быстроту ходьбы или уменьшить время восстановления после падения.

Есть USB-камера, она размещена внутри головы робота и служит для получения и обработки изображения. В отличие от многих других гуманоидов базовая конфигурация DARwIn-OP имеет только одну камеру. Камера высокой четкости, которая подключена к роботу через стандартный USB порт. Высокое качество камеры обеспечивает очень подробную информацию. Cтандарт USB позволяет поключать любой желаемый тип камеры или даже несколько камер для "стерео" зрения. Последнее, но не менее важное, USB-камера избавляет от необходимости в специализированном источнике питания для неё, таким образом сохраняя простую структуру архитектуры.

Микрофон позволяет DARwIn-OP получать голосовые команды. Простой API может быть установлен в DARwIn-OP для распознавания голоса с последующим запрограммированным поведением на голосовые команды. Два дополнительных микрофона также размещены внутри головы, и служат для локализации источника звука. Аудио сигналы подаваемые на микрофоны, могут быть отличны друг от друга, и робот путём дифференцирования может локализовать источник звука. Дополнительные микрофоны в сочетании с микрофоном распознавания голоса, могут так же улучшить локализацию звука для более точного обнаружения местонахождения источника.

Дополнительные датчик силы размещёны на каждой ступне для более точного измерения силы реакции земли. Датчики подключаются к шине питания и управления сервомоторов и поддерживают соединение типа daisy chain. Использование общей линии управления и питания сохраняет простоту конструкции. Размещение этих датчиков на ступнях позволяет во время ходьбы более точно определить силу возникающую при соприкосновении ступни с поверхностью земли и адаптировать походку к изменениям поверхности.

Дисплей и Интерфейс.

DARwIn-OP оснащён разноцветными светодиодами RGB, расположенными в глазах и на лбу. Пользователь может запрограммировать для каждого светодиода свой цвет. Цвета помогают или предупреждают пользователя визуально в режиме реального времени о статусе DARwIn-OP. Существуют также светодиодные индикаторы состояния и кнопки на задней панели. DARwIn-OP также оснащен внешними портами, такими как: HDMI, USB, порт flash памяти и Ethernet-порт. Эти внешние порты облегчают подключение, коммуникацию, обмен данными и разработку ПО.

Структура программного обеспечения

Программное обеспечение DARwIn-OP было построено на основе иерархической структуры с учётом модульности, четким распределением функционала и спецификации интерфейсов. Эта инфраструктура включает в себя следующие устройства: коммуникационный модуль, модуль движения, модуль ходьбы, модуль зондирования, модуль поведения, модуль зрения и модуль диагностики. Управляющее ПО было разработано на языке программирования С++, где код является кроссплатформенным, т.е. работает независимо от операционной системы. Кроссплатформенность - это важный аспект системы, благодаря этому, ПО может быть перенесено на любые существующие или будущие операционные системы компьютеров, и интегрировано с различными библиотеками, в том числе с недавно разработанной Robot Operating System (ROS).

Рис. 8. Структура программы для DARwIn-OP

Пользователи могут разрабатывать программы управления для DARwIn-OP, не задумываясь о низкоуровневых модулях системы. Для удобной отладки написанных программ можно использовать программный симулятор DARwIn-OP. Благодаря открытому коду ПО DARwIn-OP, пользователи могут делиться своими наработками. Также пользователи не ограничены в использовании open-DARwIn-SDK. В настоящее время существуют альтернативные реализации SDK для DARwIn-OP. 

Заключение

В данной статье мы предлагаем метод проектирования человекоподобных роботов, которые имеют модульную конструкцию, используют стандартные итерфейсы подключения и ПК со стандартной архитектурой. Кроме того, на основе этого метода мы разработали DARwIn-OP, который обладает модульной и расширяемой конструкцией, имеет высокую производительность, знакомую среду программирования, относительно доступную цену и прост в обслуживании. Ключевые особенности DARwIn-OP проиллюстрированы в таблице 1.

Таблица 1. Общие технические характеристики

Все материалы по DARwIn-OP в том числе исходные коды, схемы, механические CAD файлы, а так же информационная часть доступны на сайте ROBOTIS 

Перевод статьи "Development of Open Humanoid Platform DARwIn-OP Inyong Ha, Yusuke Tamura, Hajime Asama"

Вернуться к списку публикаций