В Калифорнийском университете создали недорогого гуманоидного робота из деталей напечатанных на 3D-принтере

Исследователи Калифорнийского университета в Беркли разработали Berkeley Humanoid Lite — недорогого гуманоидного робота с открытым исходным кодом, которого можно самостоятельно собрать, модифицировать и использовать для экспериментов. Авторы проекта рассчитывают, что такая конструкция сделает разработку гуманоидных роботов доступнее для исследователей, разработчиков и энтузиастов.

Berkeley Humanoid Lite задуман не как готовый коммерческий продукт, а как открытая эталонная конструкция, которую можно адаптировать под конкретные задачи. Исследователи опубликовали необходимые материалы для воспроизведения системы и продемонстрировали её возможности, в том числе дистанционное управление роботом.

Робот имеет высоту около 0,8 метра и весит примерно 16 килограммов. В его конструкции используются напечатанные на 3D-принтере детали и распространённые компоненты вместо дорогостоящих специализированных комплектующих. По расчётам разработчиков, полный комплект аппаратуры можно собрать менее чем за 5000 долларов по ценам американского рынка.

Основой приводной системы стали модульные актуаторы, преобразующие электрическую энергию в движение суставов. Каждый из них объединяет бесщёточный двигатель постоянного тока, циклоидальный редуктор, напечатанный на 3D-принтере, и энкодер положения. Редуктор снижает высокую скорость вращения двигателя и одновременно увеличивает крутящий момент, доступный на суставе, благодаря чему робот может приводить в движение руки и ноги.

В Berkeley Humanoid Lite используются актуаторы двух размеров. Корпус, шестерни и валы можно изготавливать на обычном настольном FDM 3D-принтере. Для печати исследователи используют PLA-пластик, а все детали спроектированы так, чтобы помещаться в рабочую область размером 200 × 200 × 200 миллиметров.

Одной из проблем при использовании пластиковых деталей является их ограниченная прочность. Разработчики частично решили её за счёт конструкции циклоидального редуктора, в которой нагрузка распределяется между несколькими зубьями одновременно. Дополнительную жёсткость обеспечивают винты и встроенные латунные элементы, которые повышают прочность конструкции и улучшают передачу крутящего момента.

Электронная часть актуаторов также построена преимущественно на доступных компонентах. Большой актуатор модели 6512 включает бесщёточный электродвигатель, аналогичный тем, что используются в дронах, контроллер двигателя, магнитный энкодер положения, подшипники и напечатанные на 3D-принтере детали. Его стоимость разработчики оценивают примерно в 188 долларов на рынке США. Меньший актуатор модели 5010 стоит около 136 долларов. Весь робот использует 10 актуаторов 6512 и 12 актуаторов 5010, поэтому приводная система составляет значительную часть общей стоимости машины.

Разработчики проверили актуаторы на эффективность, долговечность и стабильность работы. При большинстве режимов эксплуатации механический КПД редуктора составлял около 90 процентов. Однако при высоких крутящем моменте и скорости эффективность снижалась из-за нагрева.

Во время 60-часового испытания эффективность оставалась относительно стабильной, хотя по мере износа напечатанных компонентов постепенно увеличивался люфт редуктора. Дополнительные испытания шести актуаторов, изготовленных с помощью двух разных 3D-принтеров, показали сопоставимые характеристики. Ошибка отслеживания заданного крутящего момента при этом не превышала 0,5 Н·м.

Модульная конструкция позволяет перестраивать робота под различные задачи. Каждый актуатор представляет собой самостоятельный узел, которому необходимы только питание и связь по интерфейсу CAN. Благодаря этому исследователи могут изменять длину конечностей и расположение суставов, не создавая приводную систему заново.

Одна и та же архитектура может использоваться для создания двуногих, четвероногих и даже роботов с конфигурацией, напоминающей кентавра. Актуаторы также можно устанавливать на мобильную платформу. Более длинные элементы конструкции позволяют увеличить размеры системы и создать версию робота, сопоставимую по габаритам со взрослым человеком.

За управление роботом отвечает мини-компьютер Intel N95 и установленный на борту датчик движения. Для автономной ходьбы исследователи использовали контроллер на основе обучения с подкреплением. Сначала алгоритм обучали в симуляции, после чего его непосредственно перенесли на физического робота. Система позволяет машине ходить, следуя заданным пользователем командам скорости.

Роботом можно также управлять дистанционно с помощью контроллеров SteamVR. В ходе демонстраций Berkeley Humanoid Lite использовали для письма, перемещения предметов, упаковки коробок и сборки кубика Рубика. Это показывает, что платформа предназначена не только для демонстрации ходьбы, но и для исследований, связанных с манипуляцией объектами и взаимодействием с окружающей средой.

При этом разработчики отмечают, что долговременное воздействие нагрева на напечатанные пластиковые детали ещё предстоит изучить. Тем не менее Berkeley Humanoid Lite демонстрирует возможность создания функционального гуманоидного робота исследовательского класса с использованием недорогих двигателей, 3D-печатных редукторов и доступной электроники.

Открытая архитектура при этом позволяет использовать робота как основу для дальнейших экспериментов, не ограничиваясь исходной конфигурацией. Такой подход может снизить стоимость входа в разработку гуманоидных систем и дать исследователям возможность самостоятельно менять механику, приводы и конфигурацию машины в зависимости от поставленной задачи.