กายวิภาคและการออกแบบหุ่นยนต์ Mini Cheetah ตอนที่ 2 : Legs

อ่านตอนที่ 1 เรื่อง Actuator ได้ที่ [Click]

ตอนนี้เราจะไปอธิบายเรื่องการออกแบบขาของหุ่น Mini Cheetah พออ่านต้นฉบับไปเรื่อย ๆ แล้วรู้สึกอิน ยังกับตัวเองได้ทำเองซะงั้น 55++ ในการออกแบบขาของหุ่นจะเน้นหลักการ 2 อย่างคือ

• ลดน้ำหนัก (mass) และลดความช้าในการเคลื่อนไหว (inertia)
• เพิ่มมุมในการเคลื่อนไหว (range of motion) และพื้นที่ในการทำงาน(workspace)

ในการลด mass / inertia นั้นสามารถทำได้โดยการยกเอาส่วนที่มีน้ำหนักมากอย่างมอเตอร์มาไว้เหนือพื้นและรวมจุดหมุนให้อยู่ใกล้กันมากที่สุดเพื่อให้มี balance ของน้ำหนัก ซึ่งจะสั่งเกตุได้จากหุ่น 4 ขาทั่ว ๆ ไป จะมีขาที่เล็ก แต่เบา เนื่องจากไม่มีมอเตอร์ที่ส่วนข้อพับนั่นเอง

การออกแบบขาของหุ่น mini cheetah

ในส่วนของเข่าหุ่นยนต์นั้นจะใช้ระบบสายพานขับจาก Actuator ที่อยู่ด้านบน

สายพานที่ใช้บังคับเข่าหุ่นยนต์

สำหรับการออกแบบให้มีพื้นที่ทำงานนั้น ตัว Actuator ที่ขับเคลื่อนแบบหมุนจากมอเตอร์โดยตรง มีระยะการหมุนได้ 360 องศา ทำให้ขาของหุ่นหมุนได้อิสระมากผนวกกับการจัดวางหุ่นให้สมมาตร (กลับหน้ากลับหลังกันได้) นั้นทำให้สามารถเพิ่ม workspace และจัดวางท่าทางได้หลายรูปแบบ (ตัวอย่างตามภาพด้านล่าง)

บนซ้าย หุ่นในสถานะก่อนเริ่มทำงาน, บนขวา หุ่นสามารถพับเก็บและถือเคลื่อนย้ายได้, ล่างซ้าย ข้อต่อ ab/ad มีระยะที่จะทำให้หุ่นเดินได้แม้ถูกหมุน 90 องศา, ล่างขวา ขาสามารถยกได้เหนือลำตัวทำให้สามารถปีนข้ามสิ่งกีดขวางที่สูงได้

ในส่วนของการออกแบบขาให้น้ำหนักเบาและแข็งแรงนั้น ได้ออกแบบขาท่อนล่างเป็นรูปตัว I (I-beam) และส่วนบนนั้นจะเป็นตัวลำเลียงสายพานดังนั้นจึงออกแบบเป็นท่อกลวงตรงกลาง ประกบอลูมิเนียม 2 ชิ้นเข้าด้วยกัน รวมน้ำหนักของอลูมิเนียมทั้งขาแล้วอยู่ที่ 147กรัม (บน 92g ล่าง 55g งวดหน้าแน่นอน!)

การออกแบบหน้าแข้ง

ส่วนของขาท่อนบน

อุ้งเท้า

ในส่วนของเท้านั้นจะออกแบบตามนี้

• การยึดจับ — พื้นที่ผิดต้องมีค่าสัมประสิทธิ์แรงเสียดทานสูง
• มีมุมในการสัมผัสสูง — เนื่องจากขาสามารถเคลื่อนไหวได้หลายมุม
• การกระเด้ง (Damping) — เท้าที่ดีต้องสลายแรงไปที่พื้นให้หมด (ห้ามเด้งคืนนั่นเอง)
• ทนทาน — ตัว cheetah 3 นั้นเคยใช้ Smooth-On VytaFlex 20A (เป็นยางขึ้นรูปชนิดหนึ่ง) แต่อยู่ไม่ทน ตอนนี้เปลี่ยนเป็น VytaFlex 60 ซึ่งพิสูจน์มาแล้วว่าทนกว่าแต่ low damping.

หลังจากที่ลองดูหลายตัวก็พบว่าลูกสควอช (squash balls) — (yep ลูกสควอช เอางี้เลย 55++) ก็ผ่านทุก ๆ เงื่อนไขดังที่กล่าวมา โดยเส้นผ่าศูนย์กลางประมาณ 40mm พอดีกับส่วนขาของหุ่น จึงได้ใช้การปรับโดยปริ้น 3D printer เป็นแกนยึดกับอลูมิเนียม และส่วนที่ว่างข้างในก็ใช้ยางขึ้นรูป Smooth-On FlexFoam-It 23 (คุณสมบัติคล้ายกับ EVA โฟม ที่ใช้ทำพื้นรองเท้า) เพื่อให้นุ่ม ไม่เด้ง และ หวังว่ามันจะทน 55++

ซ้าย ส่วนของเท้าทำด้วยลูกสควช และสีขาวคือส่วนเชื่อมต่อ ขวา โครงสร้างด้านในของเท้า โพรงลูกบอลกับส่วนเชื่อมต่อ(สีขาว) เติมด้วยยางขึ้นรูป

เอาหล่ะ สำหรับส่วนของการออกแบบน่าจะมีเท่านี้

สามารถอ่านตอนที่ 3 เรื่อง Body ได้ที่

กายวิภาคและการออกแบบหุ่นยนต์ Mini Cheetah ตอนที่ 3 : Body

follow me at fb.com/comdet