史上成本最低、可DIY的機(jī)器狗

史上成本最低，斯坦福開(kāi)發(fā)機(jī)器狗，旋轉(zhuǎn)跳躍后空翻，成本僅3000美元。這個(gè)命名為Stanford Doggo的機(jī)器人已經(jīng)在網(wǎng)上免費(fèi)公開(kāi)的綜合計(jì)劃，代碼和供應(yīng)清單，任何人都可以在線上購(gòu)買幾乎所有組件。

斯坦福大學(xué)學(xué)生機(jī)器人俱樂(lè)部的“Extreme Mobility”團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一種四足機(jī)器人Doggo，可以執(zhí)行一些復(fù)雜的技巧，以及穿越具有挑戰(zhàn)性的地形。

最重要的是，其設(shè)計(jì)具有可復(fù)用性，并且所有的文檔均已開(kāi)源，有能力的同學(xué)可以使用成本低廉的原料、按照設(shè)計(jì)文檔DIY一臺(tái)四足機(jī)器人。文末我們會(huì)附上所有相關(guān)資源鏈接。

團(tuán)隊(duì)在今年的ICRA會(huì)議中發(fā)表了用機(jī)器人實(shí)現(xiàn)后空翻的論文。下載地址：

https://arxiv.org/pdf/1905.04254.pdf

造一臺(tái)Doggo成本不到2萬(wàn)元

斯坦福大學(xué)的學(xué)生開(kāi)發(fā)了Stanford Doggo，這是一種相對(duì)低成本的四足機(jī)器人，可以小跑，跳躍和翻轉(zhuǎn)。

當(dāng)然，這些其實(shí)是現(xiàn)代四足機(jī)器人的標(biāo)配了。比如波士頓動(dòng)力、Laikago、浙大的絕影、MIT的小狗等，都可以輕松實(shí)現(xiàn)。

不過(guò)Doggo最大的特點(diǎn)就是開(kāi)源、便宜（相對(duì)而言）。幾乎所有組件都可以在網(wǎng)上買到，開(kāi)發(fā)團(tuán)隊(duì)預(yù)估Doggo的成本將會(huì)低于3000美元，相當(dāng)于人民幣2萬(wàn)多一點(diǎn)，不到一輛本田CBR400R摩托售價(jià)的一半，這其中還包括了制造和運(yùn)輸成本。相比而言，號(hào)稱首款可商用的四足機(jī)器人Laikago，售價(jià)約20000-30000美元。

整個(gè)機(jī)器人設(shè)計(jì)中最痛苦的部分：同軸機(jī)制

驅(qū)動(dòng)每條腿的同軸機(jī)構(gòu)絕對(duì)是機(jī)器人中最復(fù)雜的機(jī)械部件，也是最麻煩的。

Doggo有四個(gè)v3.5、48V ODrives，每條腿兩個(gè)，安裝在碳纖維側(cè)板上。中間的2mm碳纖維板上，有一個(gè)Teensy 3.5，一個(gè)Sparkfun BNO080 IMU和一個(gè)5mW的Xbee。

Teensy通過(guò)四條獨(dú)立的UART線與ODrives對(duì)話，每條線路的工作頻率為500000波特。在這個(gè)板塊下面，有配電板和一個(gè)Gigavac P105 Mini-Tactor繼電器，所以可以使用一個(gè)外接的ESTOP開(kāi)關(guān)來(lái)關(guān)閉機(jī)器人電源。Doggo還有兩個(gè)1000mah 6s Tattu鋰電池。

它的工作方式是在碳纖維側(cè)板上安裝了兩個(gè)TMotor MN5212電機(jī)。這些電機(jī)每秒重復(fù)計(jì)算8000次，通過(guò)感應(yīng)機(jī)器人外力的電機(jī)幫助確定每條腿應(yīng)該施加多大的力和扭矩。

團(tuán)隊(duì)還加了一個(gè)3D打印軸承座，有兩個(gè)軸承來(lái)固定外同軸管。如下圖所示：

兩個(gè)電機(jī)通過(guò)16T皮帶輪和48T皮帶輪之間的GT2皮帶將動(dòng)力傳遞給同軸軸，沒(méi)根皮帶6mm寬，間距3mm間距。

由于預(yù)算有限，團(tuán)隊(duì)并沒(méi)有使用現(xiàn)成滑輪，而是使用Xometry SLS服務(wù)自己打印出來(lái)的。不過(guò)一定要明確的調(diào)整Xometry SLS服務(wù)，如果部件以一定角度打印，則由于偏角層，滑輪齒的幾何形狀會(huì)變形。

在滑輪上方有一個(gè)水刀鋁支架以保持皮帶張力，防止在高扭矩情況下跳脫。接下來(lái)，找到支架的最佳中心距離是一件非常痛苦的事情。因?yàn)殡姍C(jī)和小滑輪之間連接處的斜坡，以及較大滑輪和軸之間連接處的斜坡，意味著頂部支架的中心距離必須比皮帶供應(yīng)商規(guī)定的標(biāo)稱中心距離（SDP-SI）大0.5mm。

這種裝配的最大問(wèn)題是皮帶張力越高，摩擦阻力就越大。較高的摩擦意味著電動(dòng)機(jī)的跟蹤性能變差，并且對(duì)觸摸事件等敏感性減弱。團(tuán)隊(duì)正在積極的研究在同軸組件中具有更平滑、更精確的機(jī)械加工滑輪和更少的傾斜。

關(guān)鍵部件

Doggo有四條SCARA風(fēng)格的2DOF腿。SCARA風(fēng)格的意思是每條腿有五條連桿，并且兩條上連桿是同軸驅(qū)動(dòng)的。

實(shí)際的腿部連接是Big Blue Saw的水刀切割，這是一個(gè)很棒的在線服務(wù)，水射流部件已經(jīng)足夠精確，不需要為軸承鉆孔。

對(duì)于每個(gè)關(guān)節(jié)，在連桿上有兩個(gè)彼此相鄰堆疊的深溝球軸承，并且肩螺栓穿過(guò)它們并擰入相對(duì)的連桿。

而機(jī)器人的支腳是使用3D打印的兩部分模具制作的硅膠片。

控制軟件

Doggo軟件也相對(duì)比較簡(jiǎn)單。只要實(shí)現(xiàn)有一個(gè)狀態(tài)機(jī)器在不同的行為之間翻轉(zhuǎn)（如小跑，跳躍等）即可。

對(duì)于每個(gè)行為，向四個(gè)ODrive發(fā)送不同的位置命令和增益。還有一些輔助線程例如一個(gè)用于IMU測(cè)量、一個(gè)用于記錄來(lái)自O(shè)Drives的遙測(cè)，另一個(gè)用于通過(guò)Xbee進(jìn)行命令等。

機(jī)器人通過(guò)向四個(gè)ODrive驅(qū)動(dòng)器指揮不同的正弦開(kāi)環(huán)軌跡來(lái)行走、小跑、繞圈等。腿部軌跡由兩個(gè)半正弦曲線組成，下圖中以橙色和紫色顯示。

通過(guò)改變正弦曲線的幾何參數(shù)、虛擬腿部順應(yīng)性以及腿部穿過(guò)每個(gè)正弦曲線段的持續(xù)時(shí)間以產(chǎn)生不同的步態(tài)。

如果你也想嘗試按照設(shè)計(jì)圖自己制造一臺(tái)Doggo，需要注意一點(diǎn)，那就是團(tuán)隊(duì)開(kāi)發(fā)了一個(gè)自定義二進(jìn)制UART協(xié)議來(lái)發(fā)送和接收數(shù)據(jù)。協(xié)議具體內(nèi)容參閱：

https://github.com/Nate711/Doggo/blob/master/lib/ODriveArduino/ODriveArduino.cpp

Stanford Doggo進(jìn)一步的計(jì)劃

“Extreme Mobility”團(tuán)隊(duì)領(lǐng)隊(duì)Patrick Slade說(shuō)：“我們希望提供一個(gè)任何人都可以建立的基線系統(tǒng)，比如說(shuō)你想從事搜索和救援工作，就可以給Doggo裝上傳感器然后在對(duì)現(xiàn)有的代碼進(jìn)行修改，可以讓它爬上巖石堆或進(jìn)洞穴挖掘，或者拿東西等等?！?/p>

Extreme Mobility與斯坦福大學(xué)航空航天助理教授Zachary Manchester的機(jī)器人探索實(shí)驗(yàn)室合作，在第二個(gè)Stanford Doggo上測(cè)試新的控制系統(tǒng)。

該團(tuán)隊(duì)還完成了一個(gè)比Stanford Doggo大一倍的機(jī)器人，可以攜帶大約6公斤的設(shè)備。它的名字是Stanford Woofer。