กายวิภาคและการออกแบบหุ่นยนต์ Mini Cheetah ตอนที่ 1 Actuator

3 min readMar 17, 2019

เมื่อไม่นานมานี้หลาย ๆ คนคงได้เห็นหุ่นยนต์สี่ขา ที่ชื่อ Mini Cheetah จาก MIT ผ่านตากันมาบ้าง หากใครยังไม่เคยชมก็ดูได้จาก Video ด้านล่างนี้ได้เลย

หลังจากที่ได้ดูครั้งแรกก็ได้แต่คิดว่าหุ่นนี่มันสุดยอดมาก อยากจะลองทำตามบ้าง ผมจึงได้ไปลองค้นหาข้อมูลดูก็ได้เห็นความแจ๋งสุด ๆ ใครจะเชื่อว่าหุ่นนี่จะเป็นโปรเจคจบของเด็กปี 4 !!! (แต่ก็นะนี่คือ MIT) ซึ่งคนทำชื่อ Benjamin G. Katz นักศึกษา สาขา Mechanical Engineering (โดยผลงานนี้ใช้เพื่อการเรียนต่อโท ของเขาด้วย) ซึ่งคนนี้เจ๋งในระดับที่ทำเครื่องแก้รูบิค ภายในเวลา 0.38 วินาที (ชนะ world record [1]ที่ทำไว้ 0.637 วินาทีอย่างขาดลอย) โดยเอกสารทั้งหมดในบทความนี้เรียบเรียงจากวิทยานิพนธ์ ของ Ben[2] + เนื้อหาในบล็อคของเขาเอง [3] และ บล็อคภาษาจีนที่เรียบเรียงและพยายามก๊อปโครงสร้างไปใช้ในหุ่นจีนชื่อ XDog อยู่ [4] เรียกได้ว่าโปรเจคนานาชาติจริง ๆ 555++

เอาหล่ะเรามาเข้าเรื่องของหุ่น mini cheetah กันดีกว่า ในการออกแบบนั้นแบ่งออกเป็นหลาย ๆ ส่วนด้วยกัน ผมจะแบ่งออกเป็นตอนเพื่อให้อ่านง่าย โดยเราจะเริ่มที่ส่วน “ตัวกระตุ้น” (Actuator) เพื่อความเข้าใจที่ตรงกันขอเขียนภาษาอังกฤษดีกว่า

ส่วนของการออกแบบนั้นเน้นให้ราคาถูก ใช้งานง่าย Actuator แต่ละตัวราคาต่ำกว่า 300$ เท่านั้น(เมื่อเทียบกับหุ่น Cheetah 2 และ 3 ที่มีขนาดใหญ่และแพงกว่า) โดยการออกแบบอ้างอิงจาก Cheetah รุ่นเดิม ซึ่งมีส่วนประกอบดังนี้

Motor

มอเตอร์ที่ใช้ในหุ่นจะเป็นมอเตอร์ Outrunner (นิยมใช้กันในโดรน) ซึ่งตัวที่ใช้ในหุ่นนี้ไม่ได้เปิดเผยรุ่นอย่างชัดเจน แต่อ้างอิงโมเดลขนาดของ T-Motor U8 โดยบอกว่าประสิทธิภาพและขนาดใกล้เคียงกับ U8 แต่ราคาถูกกว่า ประมาณ 60$-90$ (ซึ่งผมไปหาใน Blog ที่เขาเขียนน่าจะใช้ตัว EX-8 105Kv[5] ลองไปค้น Aliexpress ดูปรากฏราคา 85.5$ เทียบกับ T-motor U8 ราคา 279$) ทำให้หุ่นราคาถูกลงมาก โดยตารางด้านล่าง แสดงแรงบิดเมื่อเทียบกับกระแส จะเห็นได้ว่ากราฟเกือบเป็นเส้นตรงมี error ประมาณ 12% เท่านั้น

ซ้าย Torque vs current ขวา Torque vs constant vs current

Gearbox

มอเตอร์ที่ใช้นั้นไม่ได้มาขับเคลื่อนขาหุ่นโดยตรง แต่ผ่านเกียร์ในอัตราทด 6:1 (0.005 rad / 0.28 °) และที่เจ๋งคือเกียร์นั้นเป็นแบบ planetary gear (ดูภาพด้านล่าง) ที่มีการปรับมอเตอร์และใส่เกียร์เข้าไปในตัวมอเตอร์เลย (พี่จีนพยายามก๊อปตัวนี้อยู่)

ซึ่งการประกอบ gearbox แบบนี้เข้าไปทำให้ actuator ยังคงมีขนาดที่เล็กกระทัดรัดแต่ให้แรงบิดที่สูงกว่าเดิม

Controller (3-phase inverter)

สำหรับตัวที่ควบคุมมอเตอร์นั้นถูกออกแบบ PCB ขึ้นมาใหม่โดยคล้ายกับ ESC ทั่วไป ประกอบด้วยไมโครคอนโทรเลอร์ STM32F446, driver DRV8302***(version ใหม่ใช้ DRV8323 แทน ทำให้มีขนาดเล็กกว่าเดิมอีก [7]), half-bridge MOSFET เบอร์ PH7030L และใช้ CAN Bus เป็นตัวสื่อสาร มีขั้วต่อแบต XT-30

คุณสมบัติ

24V power supply
40A peak phase current (ที่จริงอาจจะต่ำกว่านั้นเนื่องจากมีข้อจำกัด thermodynamic ของมอเตอร์)
สื่อสารด้วย CAN bus ส่งข้อมูลการวัด position, velocity, estimated torque และ คำสั่ง set position, set velocity, position gain, velocity gain, torque.
ความถี่ในการส่งข้อมูลอยู่ที่ 4kHz/ต่อตัว

PCB ของ controller ออกแบบด้วย Eagle (ซ้าย) ด้านหน้า (กลาง) และหลัง (ขวา)

Encoder

ที่ด้านหลังของ PCB จะมี encoder แบบ non-contact magnetic field (คือเอาแม่เหล็กกลม ๆ ไปแปะแกนกลางมอเตอร์ แล้วเอา sensor นี้ไปวางไว้ตรงกลางมันจะวัดมุมได้ละเอียดมาก) ใช้เบอร์ AS5047P ความละเอียด 14bit (aliexpress ตัวละ 6$ [6]) (แต่จริง ๆ แอบเห็นเบอร์แทนราคาถูกกว่า MA730GQ คุณสมบัติเหมือน ๆ กัน) ซึ่งเมื่อประกอบกับมอเตอร์แล้วจะได้ตามรูป

เมื่อทำออกมาเสร็จรวมกับ controller ตัว actuator จะมีคุณสมบัติดังนี้

เนื่องจากการใช้มอเตอร์ที่หาซื้อได้ทั่วไป เมื่อเทียบกับหุ่น Cheetah 2 และ 3 จะพบว่า mini cheetah ให้อัตรากำลังสูงสุด(maximum power/mass output density) = 1417watt/kg ขณะที่ cheetah 2 & 3 ให้กำลังที่ 2400w/kg [8] ถึงจะน้อยกว่าแต่ก็ให้กำลังพอที่จะกระโดดตีลังกาหลังได้เนื่องจากขนาดที่เล็กกว่านั่นเอง

สำหรับตัว Actuator ที่เล่ามาทั้งหมดมอเตอร์หาซื้อได้ที่ Aliexpress [5] pcb controller สามารถ download ได้ที่ https://github.com/bgkatz/3phase_integrated และ โค้ด firmware สามารถ Download ได้ที่ https://os.mbed.com/users/benkatz/code/Hobbyking_Cheetah_Compact/

เอ้า 1–2–3 กราบ ….