斯坦福後空翻機器人設計、代碼全開源

斯坦福學生機器人俱樂部（Stanford Student Robotics club）Extreme Mobility 團隊最近迎來了一名新成員——一個名爲 Stanford Doggo 的四足機器人。這個機器人能跳 1 米多高，還能表演後空翻。與其餘四足機器人動輒上萬美圓的成本不一樣，這個機器人的成本降到了 3000 美圓如下，並且設計團隊開源了該機器人的設計圖、代碼以及材料清單。任何感興趣的人都可以經過這些材料打造屬於本身的 Doggo 機器人。

成本低至 3000 美圓，人人都能動手 DIY

Doggo 的設計和其餘小型四足機器人相似，但其獨特之處在於，該機器人成本較低，並且容易得到。其餘相似的機器人一般要花費上萬美圓，但該機器人的設計者——斯坦福 Extreme Mobility 實驗室估計，Doggo 的總成本不會高於 3000 美圓。並且，Doggo 的整個設計都是開源的，幾乎全部的零部件均可以在網上買到。

「咱們見過不少研究中所使用的四足機器人，但你一般沒有辦法把它們帶到本身的實驗室並用在本身的項目中，」Extreme Mobility 負責人、機械工程專業學生 Nathan Kau 表示。「咱們但願 Stanford Doggo 成爲一款你能夠本身構建的低成本開源機器人。」

Stanford Doggo 如今已經能完成走路、慢跑、跳舞、跳躍等動做，偶爾還能表演一下後空翻。目前，研究團隊正在打造一個稍大一點的 Doggo（和比格犬差很少大），並將在 5 月 21 日的加拿大蒙特利爾國際機器人與自動化會議（ICRA）上進行展現。

能跳 1 米多高，後空翻也不在話下

爲了讓 Doggo 能夠復現，研究團隊從頭開始構建該機器人。他們花了大量時間研究容易獲取的原材料，在完成每一個部件以後都會對其進行測試，而不是依賴於模擬。

「從一開始想到要構建一個四足機器人到如今已通過去了兩年的時間。在這個原型開始迭代以前，咱們還構建了若干個原型，」該團隊一名 19 歲的成員表示。

Doggo 的第一步無疑是蹣跚學步，但如今它的步態和行進路線已經很是穩定，還能克服較爲複雜的地形。它經過馬達感應本身受到的外力，並肯定每條腿應施加多大的力和扭矩來實現這一目標。這些馬達以每秒 8000 次的速度從新計算，這對 Doggo 標誌性的舞蹈動做相當重要：它能夠跳頗爲靈活的布吉舞，看不出來裏面其實沒有彈簧。

這些馬達就像一個由虛擬彈簧組成的系統，當它們感受到機器人偏離合適的位置時，會平穩而敏捷地將機器人彈回適當的位置。

Doggo 的跳躍能力很是使人驚訝。經過不斷改進軟件設計，Doggo 已經能跳到 3.5 英尺（約 1 米）高。

Kau 回憶說，「從那時起咱們就意識到，這個機器人在某些方面的表現已經超越了其餘四足機器人，儘管它的成本要低不少。」從那時起，他們開始嘗試讓 Doggo 進行後空翻。

Stanford Doggo 能完成小跑、後空翻和跳躍等多種動做。

雖然 Doggo 的構建成本很是低，但由於腿部機制的新型設計和更高效的馬達，它的實際效果要比其它昂貴的機器人更好一些。它的扭矩比 Ghost Robotics 相同大小和形狀的 Minitaur 機器人（成本達 11500 美圓）更大一些。此外，Doggo 的垂直跳躍能力一樣也比 MIT 的 Cheetah 3 機器人強。

開源機器人

做爲一個開源機器人，Stanford Doggo 的全部代碼和設計圖都能免費得到。斯坦福但願 Doggo 能爲多足機器人提供一個可訪問的平臺。目前，該開源機器人保持着垂直跳躍敏捷度的最高紀錄，它的跳躍高度是目前四足機器人的兩倍。此外，由於 Stanford Doggo 總重量低於 5 公斤，根據開源項目作開發更容易也更安全。

• 項目地址：https://github.com/Nate711/StanfordDoggoProject
• CAD 設計圖：https://a360.co/2OBxTbH

整體上，項目從軟件代碼、驅動、硬件設計到材料清單提供了完整的資料。下面經過幾張結構或演示圖，咱們能夠欣賞欣賞 Doggo 的構造細節。

1. 同軸機制

同軸機制（coaxial mechanism）會驅動每一條腿的運動能力，不論小跑仍是跳躍都少不了它。同軸機制也是機器人中最複雜的機制和模塊，固然它也是最麻煩的。

根據上面設計圖造出來的實際效果大概是：

2.Doggo 的小關節

對於每個腿部關節，它的構造是這個樣子：

3.Doggo 的小腳

Doggo 的小腳是硅膠材質的，斯坦福的研究者用 3D 打印機完成。

5.Doggo 佈局

後面還有身體（機箱～）和電路設計圖等模塊，這裏就不一一展現了。最後，咱們能夠看看 Doggo 的總體內部結構與馬達控制器的佈局：

Doggo 論文

固然，若是你想搭建一個這樣的機器人，除了上面這些具體的結構，最好仍是要了解總體設計思路和原理。斯坦福的研究者還爲 Doggo 寫了一篇論文，這篇論文發表在了 ICRA 2019 上。

論文：Stanford Doggo: An Open-Source, Quasi-Direct-Drive Quadruped

論文地址：https://arxiv.org/abs/1905.04254

這篇論文展現了 Stanford Doggo，它是一種準直接驅動（quasi-direct-drive）的四足機器人，具備很強的動態運動能力。該機器人能媲美或超過當前最優多足機器人的通常性能指標。且在垂直跳躍靈敏度上，即以平均垂直速度爲指標，Stanford Doggo 能與表現最好的動物相媲美，並超過此前表現最好的機器人 22%。總體設計架構重點關注準直接驅動的設計方法。復現該機器人的硬件和軟件都已經開源，只須要手工工具製造和組裝就能完成，總成本低於 3000 美圓。

結語

不少研究員認爲相似 Doggo 這樣的機器人是即未來臨的機器人大發展的一部分。四足或雙足機器人的能力將變得愈來愈強，波士頓動力、Agility Robotics 和 Anybotics 等公司都開始將其定位爲高效的工具。它們能夠用於各類實際任務或場景，例如現場調查、監視、安防或快遞包裹等。

而像 Doggo 這樣的低成本機器人，能夠用於研究者的各類實驗，並快速迭代提高控制系統。目前，Doggo 和同類產品通常都爲大學實驗室而設計，但很快，它們就會投入真實世界。

斯坦福表示，它們但願 Doggo 能提供任何人均可以構建的基準系統。若是咱們但願將它用於不一樣的任務，那麼給 Doggo 加上不一樣的傳感器與對應的代碼，就能利用運動能力執行它們。