原創 王健恩 智東西 收錄于話題#機器人202個

這個工程師造了個機器人，稱要把體育場填滿！

編譯 | 王健恩

編輯 | 高歌

智東西7月30日消息，美國工程師兼YouTube博主Mark Rober創造出了一個可以自動擺放多米諾骨牌的機器人。這個機器人被命名為Dominator，它可以在短短24小時之內將十萬多塊骨牌變為一幅馬里奧的圖畫。這項工作如果讓人來做的話，至少需要7個人花費一周的時間。

▲機器人與被擺放出來的馬里奧

當然，Dominator機器人并非Mark Rober自己的成果，他談道這是他們一個四人團隊多年工作的結晶，其中經歷了多次的失敗才有了現在的Dominator。

這也不是Mark Rober的第一個腦洞大開的作品，他曾創造過一塊可以自動追蹤飛鏢的鏢盤，以及一個可以根據籃球飛行軌跡自動調整籃板角度的籃球架，讓你投飛鏢或投籃時能夠百發百中。這些作品讓他在YouTube上走紅。

01.

四個人要用多米諾骨牌填滿體育場

Dominator的故事是從2019年開始的。

當時Mark Rober在舊金山灣區舉行了一次演講。演講中他談到他一直想制作一個機器人，利用這個機器人能夠在一夜之間將成噸的多米諾骨牌搭起來，并填滿整個體育場。但是他進行過一些嘗試后沒有成功。

這個想法吸引到了Alex Baucom的興趣，他有過開發機器人的經驗，并且平時最大的愛好就是建造機器人，因此立刻與Mark Rober取得了聯系。

另外這場演講也吸引到了斯坦福機械工程專業的學生John Luke和Josh。四人一拍即合，于是一個多米諾機器人團隊就此誕生。

▲John Luke（左一）、Josh（左二）、Alex Baucom（左三）、Mark Rober（左四）

02.

出師不利，三大挑戰亟待解決

Dominator的創造并非一帆風順，團隊剛開始工作就發現實現這個創舉要面臨三大挑戰。

第一個挑戰是這項創舉的規模太大，以至于超出了最初的設想。

Mark Rober希望機器人能夠放置至少10萬塊多米諾骨牌，最初他們設想機器人直接攜帶上所有骨牌并一塊一塊地擺放。但是團隊進行計算后發現10萬塊骨牌有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間。因此他們不得不改變最初的思路，改用一個托盤裝下一部分擺放好的骨牌，再將這些骨牌擺放到正確的位置。

▲最初設想的機器人草圖

第二項挑戰是機器人的定位要做到極其精準。

機器人要能夠將多米諾骨牌擺放的足夠近，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，否則擺放過程中就有可能把骨牌碰倒導致前功盡棄。同時，機器人本身也必須要有準確的定位，否則也會將已經擺放好的骨牌碰倒。

團隊最初想使用超聲波傳感器判斷骨牌與機器人的相對位置，但后來被證實是失敗的。后來該團隊又嘗試了Marvlemind室內“GPS”傳感器，發現這也達不到想要的效果。

第三項挑戰是要讓機器人能夠保持準確的移動路線。

機器人定位的問題即便能夠解決，但如果它控制不了自己的運動，仍然無法足夠準確的放置多米諾骨牌，同時也更容易將骨牌給碰倒。團隊決定使用一種全向驅動系統來簡化這個問題，利用這個系統可以讓機器人執行小幅度的矯正運動來和多米諾骨牌對齊。

他們購買了一個麥卡納姆輪（Mecanum wheel）套件來進行測試，并制作了第一個小型機器人原型機，發現這個想法能夠起作用。但是團隊很快發現制作的第一個原型機太小了，并起不到什么實質性的幫助作用，于是他們又制作了一個較大的機器人，并將麥卡納姆輪換成了真正的全向輪（Omni wheel）。

這個新的原型機幫助他們開發了第一個運動系統和控制回路，并完成了許多基礎部分的工作。

▲裝有麥卡納姆輪的小型原型機

03.

從原型機到真正的機器人

選擇電機成了大難題

當團隊決定從原型機過渡到真正的機器人時，發現仍有幾個困難在等著他們。

首先他們根本不知道如何為機器人選擇正確的電機。該團隊一開始嘗試的是步進電機（stepper motors），結果證明這種電機的尺寸過小，無法承載所需要的負載，也無法讓讓機器人以較快的速度移動。

之后他們又嘗試了直流電機（DC motors），發現這種電機無法提供足夠的扭矩來控制機器人，有時機器人的輪子會打滑，導致機器人瘋狂旋轉。

▲機器人失控打滑

Mark Rober只好聯系了其他人尋求幫助，最后在專業人士的指導下，他們選擇了ClearPath伺服電機（servos motors）來驅動機器人。利用這種電機能夠精準地提供大量扭矩來更好的控制機器人的移動，保證車輪不會打滑。

在選擇電機的同時他們也決定將機器人的主計算機從Arduino換為樹莓派（Raspberry Pi）。使用樹莓派可以讓傳感器的延遲變得更低，但是也讓代碼變得復雜起來。

團隊在移植機器人所需的軟件時遇到了一些挑戰，比如整個系統變得更加復雜、需要重新學習如何用C++來構建系統等。但最終他們還是完成了主計算機的更換。

上面的問題解決后，機器人終于可以在新的軟件系統的驅動下實現穩定可控的行駛，下一步該團隊需要把一個托盤添加到機器的前面，用于擺放多米諾骨牌。

他們編寫了一個簡單的程序，來控制機器人放置骨牌和歸位的動作，然后這個裝置竟異常順利的開始工作了。Alex Baucom稱這是這一整個項目中為數不多的沒有出現過重大問題的部分之一。

▲正在擺放骨牌的托盤

04.

擺放多米諾骨牌，還要打通“最后一厘米”

根據早期原型機的測試結果，團隊計劃使用Marvelmind傳感器來為機器人定位，因為它的精度已經達到了亞厘米級。如果實際效果不夠好的話，他們還計劃添加超聲波傳感器來輔助檢測多米諾骨牌。

但這里依舊沒那么順利，他們發現這兩個計劃仍然行不通，多米諾骨牌太小，以至于傳感器有時無法有效地檢測到它們。

經過幾天的嘗試，他們決定放棄超聲波傳感器，并對Marvelmind傳感器的位置進行調整，之后他們又在機器人上添加了朝向地面的攝像頭，來檢測地面的標記。經過測試和調試后，證明這一方案是有效的。

▲機器人準確定位并擺放骨牌

05.

一天擺放10萬塊多米諾骨牌，

還打破了世界紀錄

終于機器人的所有部件都已準備到位，可以開始骨牌的擺放工作了。

▲馬里奧圖像的擺放過程

從外觀來看，這個機器人的主體由帶有鋼底板的框架構成，驅動系統安裝在底板上。機器人前面有一個大托盤，能夠一次性放置300多塊多米諾骨牌。托盤頂部是由3D打印制作的漏斗，用于讓骨牌更容易地落入相應的網格中。機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生足夠的摩擦力而避免打滑。

▲機器人的外觀及各硬件

在多米諾骨牌擺放工作開始之前，該團隊還向多米諾骨牌藝術家、YouTube博主Lily Hevesh發起了挑戰。最終機器人僅僅用了24個小時就完成了所有的工作，將10萬塊骨牌擺在了正確的位置。Alex Baucom稱這創造了新的世界紀錄。

▲多米諾被推翻

06.

結語：為一個瘋狂的夢想

奮斗兩年，太酷了！

因為一個用多米諾骨牌填滿體育場這樣瘋狂的夢想，Mark Rober與其他三位伙伴為之奮斗了兩年，最終創造出了Dominator這樣一個機器人。

雖然這項工作看起來并不復雜，只是讓機器人搬運骨牌，然后再擺放到正確的位置，但這一過程實現起來卻異常艱難。實現這項工作，不僅需要機器人能夠精準定位，還要保持精確的行走路線，并且擺放過程要保持絕對穩定，否則任何一個輕微的抖動都會使已經擺放好的骨牌“全軍覆沒”。

Mark Rober的團隊在這兩年中碰到了一個又一個的困難，又將他們一一解決，在這個過程中他們收獲到的不僅是夢想被實現的滿足，還有寶貴的實戰經驗。這些實戰經驗，也能為已應用于工廠、倉儲物流等領域的搬運機器人提供借鑒的價值。

來源：Baucom Robotics

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原標題：《100000塊多米諾骨牌拼成超級馬里奧，這款機器人1天就完成了》

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