I-Droid01 - Umanoide

I-DROID01

Hardware

Software

Modifiche

Problemi e soluzioni

ID01 con gambe

Fantasydroid

I-DROID01 UMANOIDE
Progetto 2 gambe come QRIO

autore: Dreamtronic

INTRODUZIONE
Senza dubbio la modifica più sofisticata e sognata da tutte le persone che si sono cimentate nella costruzione di I-Droid01, la possibilità di sostituire il sistema di locomozione a ruote con due gambe umanoidi, sembra stia diventando realtà. Tra le molteplici proposte teoriche che si sono susseguite per due anni in merito a questa idea, alla fine dei conti solo Dreamtronic ha dimostrato di crederci talmente tanto da passare all'atto pratico. La somiglianza che I-D01 presenta nei confronti del famoso robot umanoide QRIO è stata probabilmente la molla che ha fatto scattare il desiderio di costruire le gambe.

I problemi da risolvere sono più complessi di quanto ci si aspettasse; non si tratta solo di assemblare una serie di servomotori per attuare gli arti inferiori, ma anche di implementare un sistema di equilibrio dinamico: solitamente, nei mini robot umanoidi commerciali l'equilibrio della struttura è di carattere statico, ovvero questi mini robot sono progettati per avere la proiezione del baricentro all'interno dello spazio occupato dai loro piedoni; poi con una serie di movimenti preregistrati e ben congegnati, e con l'aiuto di un giroscopio e/o di un accelerometro, sono in grado di muoversi senza cadere. Questo discorso non si può applicare ad I-D01 che, essendo stato progettato per poggiare su ruote, presenta dimensioni e peso inadeguati per puntare all'equilibrio statico, a meno che non si voglia ricorrere e due piedoni grandi quanto mezza stanza. L'equilibrio dinamico diventa quindi un punto cruciale per la buona riuscita di questo progetto: il robot deve essere in grado di valutare l'orientamento spaziale del proprio corpo, il baricentro e calcolare, istante per istante, la posizione che deve essere assunta dai servomotori, per fare in modo di mantenere l'equilibrio; per lo stesso motivo il robot deve poter anche compensare e reagire ad eventuali spinte. Questo significa ricorrere a particolari calcoli matematici, che vanno sotto il nome di 'cinematica inversa', e di conseguenza progettare e aggiungere al robot qualche altra scheda elettronica con capacità di calcolo elevate.

I primi disegni

Come se non bastasse la difficoltà esposta, il progetto completo prevede altre modifiche, tra cui l'inserimento di due video-camere negli occhi, in sostituzione ai microfoni originali che sono stati spostati nelle orecchie. Lo scopo, ovviamente è fornire al robot la visione stereoscopica; anche in questo ambito si tratta di affrontare e risolvere un insieme di problematiche di complessità non trascurabile.

ALIMENTAZIONE
E' stato eliminato il marsupio e al suo posto sono stati inseriti due pacchi di batterie Li-Po da 7,4V 1300mA ciascuno nella parte inferiore delle gambe.

SERVOMOTORI
Per realizzare le gambe sono stati scelti 13 servomotori MG995, 6 per ogni gamba e 1 per il movimento del bacino; alimentandoli con pacchi di batterie al Litio a 7.4V, il movimento sembra potente. Ogni servo è stato modificato per avere in posizione ideale sia l'asse di forza che l'uscita del cavetto di alimentazione.

Servomotori MG995 modificati

Assemblaggio delle gambe

Copertura delle gambe

SENSORI

due nuove video-camere in corrispondenza degli occhi, al posto dei microfoni
2 o 4 sensori di pressione per ogni piede in modo da capire come gravita il peso; i sensori scelti sono delle FSR (Force Sensing Resistor).
1 unità IMU (Inertial Measuring Unit) da quattro o sei assi; il suo scopo è fornire con precisione la posizione nello spazio 3D di un ben preciso punto di riferimento. In pratica il sensore IMU permette di conoscere istante per istante l'assetto del robot rispetto al terreno; unendo questa informazione assieme alla postura corrente del robot, che è nota visto che altro non è che la posizione dei servi, e alla informazione sulla distribuzione del peso sulla base d'appoggio, diventa possibile applicare un algoritmo ZMP (Zero Moment Point) che permette di calcolare in tempo reale quale deve essere la posizione del baricentro per mantenere l'equilibrio. Senza l'IMU e i sensori di pressione non è possibile mantenere una condizione di equilibrio dinamico, cioé il robot casca per terra non appena si muove.

Testa con 2 video camere negli occhi

SCHEDE DI CONTROLLO
Sono state scartate le schede commerciali dei mini robot bipedi come RoboNova, Robonox perché ritenute non adatte per implementare l'equilibrio dinamico e la cinematica inversa. Stessa sorte è toccata alla B&V di I-D01 perché già impegnata a gestire altre risorse. Si utilizzeranno due schede autocostruite:

scheda servo: è un servo controller che fa uso di un PIC 18F2520 in case SO28 (smd, ma si salda senza problemi) con 16 uscite per gestire i servo delle gambe.

scheda biprocessore: è la più potente ed ha il compito di gestire l'IMU, i sensori di pressione, la cinematica inversa, e l'algoritmo ZMP per l'equilibrio; sono stati scelti due processori dsPIC 33, uno per i sensori e l'algoritmo ZMP, e l'altro per la cinematica inversa e la generazione dei movimenti.

La scheda servo prevede di ricevere i comandi sia tramite seriale TTL che I2C, con la scheda biprocessore; la comunicazione avverrà via seriale a 1 megabit/s, l'I2C è presente solo per permettere di comandare la scheda servi direttamente da I-D01 per fare le prime prove e magari tentare di farlo camminare tramite sequenze. La scheda principale, quella biprocessore, comunicherà con ID01 tramite I2C.

TELAIO E MISURE
Per ora lo scheletro è in alluminio; più avanti si vedrà se sostituire il materiale con qualcosa di più leggero.

Altezza in piedi = 60 Cm
Altezza in ginocchio = 47 Cm
Altezza seduto gambe avanti = 38 Cm
Peso attuale = 2,350 Kg

Prime attivazioni dei servomotori

SE NE PARLA IN INTERNET
La prima discussione su questo progetto è nata sul forum di I-D01, che però è chiuso da anni; prosegue quindi sul forum di Roboitalia con nuove foto e qualche video. Chiunque voglia provare ad aiutare Dreamtronic, o semplicemente approfondire il discorso è invitato a partecipare alla discussione.