EyeRobot - หุ่นยนต์ไม้เท้าขาว: 10 ขั้นตอน (พร้อมรูปภาพ)

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:08

บทคัดย่อ:โดยใช้ iRobot Roomba Create ฉันได้สร้างอุปกรณ์ต้นแบบที่เรียกว่า eyeRobot มันจะแนะนำผู้ใช้ที่ตาบอดและผู้พิการทางสายตาผ่านสภาพแวดล้อมที่รกและมีประชากรโดยใช้ Roomba เป็นฐานในการแต่งงานกับความเรียบง่ายของไม้เท้าสีขาวแบบดั้งเดิมกับสัญชาตญาณของสุนัขที่มองเห็นได้ ผู้ใช้ระบุการเคลื่อนไหวที่ต้องการโดยกดและบิดที่จับโดยสัญชาตญาณ หุ่นยนต์ใช้ข้อมูลนี้และค้นหาเส้นทางที่ชัดเจนไปตามโถงทางเดินหรือข้ามห้อง โดยใช้โซนาร์เพื่อนำทางผู้ใช้ไปยังทิศทางที่เหมาะสมรอบๆ สิ่งกีดขวางแบบคงที่และแบบไดนามิก จากนั้นผู้ใช้จะเดินตามหลังหุ่นยนต์ในขณะที่นำทางผู้ใช้ไปยังทิศทางที่ต้องการด้วยแรงที่สัมผัสได้ผ่านด้ามจับที่เห็นได้ชัดเจน ตัวเลือกหุ่นยนต์นี้ต้องการการฝึกเพียงเล็กน้อย: กดเพื่อไป ดึงเพื่อหยุด บิดเพื่อเลี้ยว การมองการณ์ไกลที่เครื่องวัดระยะมีให้นั้นคล้ายกับสุนัขมองเห็น และเป็นข้อได้เปรียบมากกว่าการลองผิดลองถูกอย่างต่อเนื่องซึ่งบ่งชี้ถึงการใช้ไม้เท้าสีขาว อย่างไรก็ตาม eyeRobot ยังคงให้ทางเลือกที่ถูกกว่าสุนัขนำทางซึ่งมีราคามากกว่า 12,000 ดอลลาร์และมีประโยชน์เพียง 5 ปี ในขณะที่ต้นแบบถูกสร้างขึ้นด้วยราคาต่ำกว่า 400 ดอลลาร์ นอกจากนี้ยังเป็นเครื่องจักรที่ค่อนข้างเรียบง่าย ซึ่งต้องใช้เซ็นเซอร์ราคาไม่แพงสองสามตัว โพเทนชิโอมิเตอร์แบบต่างๆ ฮาร์ดแวร์บางตัว และแน่นอนว่า Roomba Create

ขั้นตอนที่ 1: วิดีโอสาธิต

เวอร์ชันคุณภาพสูง

ขั้นตอนที่ 2: ภาพรวมการทำงาน

การควบคุมของผู้ใช้: การทำงานของ eyeRobot ได้รับการออกแบบให้ใช้งานง่ายที่สุดเพื่อลดหรือขจัดการฝึกอบรมอย่างมาก ในการเริ่มต้นการเคลื่อนไหว ผู้ใช้เพียงแค่เริ่มเดินไปข้างหน้า เซ็นเซอร์เชิงเส้นตรงที่ฐานของแท่งไม้จะรับการเคลื่อนไหวนี้และเริ่มเคลื่อนหุ่นยนต์ไปข้างหน้า เมื่อใช้เซ็นเซอร์เชิงเส้นนี้ หุ่นยนต์จะสามารถจับคู่ความเร็วกับความเร็วที่ต้องการของผู้ใช้ได้ eyeRobot จะเคลื่อนที่เร็วเท่าที่ผู้ใช้ต้องการจะไป เพื่อระบุว่าต้องการเลี้ยว ผู้ใช้เพียงแค่บิดที่จับ และหากสามารถเลี้ยวได้ หุ่นยนต์จะตอบสนองตามนั้น

การนำทางด้วยหุ่นยนต์: เมื่อเดินทางในที่โล่ง eyeRobot จะพยายามรักษาเส้นทางให้ตรง ตรวจจับสิ่งกีดขวางที่อาจกีดขวางผู้ใช้ และนำทางผู้ใช้ไปรอบๆ วัตถุนั้นและกลับสู่เส้นทางเดิม ในทางปฏิบัติ ผู้ใช้สามารถตามหลังหุ่นยนต์ได้อย่างเป็นธรรมชาติด้วยความคิดเพียงเล็กน้อย ในการนำทางโถงทางเดิน ผู้ใช้ควรพยายามผลักหุ่นยนต์เข้าไปในกำแพงด้านใดด้านหนึ่ง เมื่อได้กำแพงมา หุ่นยนต์จะเริ่มเดินตามนำทาง ผู้ใช้ลงที่โถงทางเดิน เมื่อถึงทางแยก ผู้ใช้จะรู้สึกว่าหุ่นยนต์เริ่มเลี้ยว และสามารถเลือกได้โดยการบิดที่จับ ว่าจะลดหน่อใหม่หรือเดินต่อไปบนทางตรง ด้วยวิธีนี้ หุ่นยนต์จะเหมือนกับไม้เท้าสีขาวมาก ผู้ใช้สามารถสัมผัสสภาพแวดล้อมกับหุ่นยนต์และใช้ข้อมูลนี้สำหรับการนำทางทั่วโลก

ขั้นตอนที่ 3: ช่วงเซนเซอร์

Ultrasonics: eyeRobot มีเครื่องวัดระยะแบบอัลตราโซนิก 4 ตัว (MaxSonar EZ1) เซ็นเซอร์อัลตราโซนิกอยู่ในตำแหน่งโค้งที่ด้านหน้าของหุ่นยนต์เพื่อให้ข้อมูลเกี่ยวกับวัตถุที่อยู่ด้านหน้าและด้านข้างของหุ่นยนต์ พวกเขาแจ้งหุ่นยนต์เกี่ยวกับระยะของวัตถุและช่วยค้นหาเส้นทางเปิดรอบวัตถุนั้นและกลับสู่เส้นทางเดิม

IR Rangefinders: eyeRobot ยังมีเซ็นเซอร์ IR สองตัว (GP2Y0A02YK) เครื่องวัดระยะ IR อยู่ในตำแหน่งที่หันออก 90 องศาไปทางขวาและซ้าย เพื่อช่วยหุ่นยนต์ในการตามผนัง พวกเขายังสามารถเตือนหุ่นยนต์ของวัตถุที่อยู่ใกล้ด้านข้างมากเกินไปที่ผู้ใช้อาจเดินเข้าไป

ขั้นตอนที่ 4: เซ็นเซอร์ตำแหน่งอ้อย

เซนเซอร์เชิงเส้น:เพื่อให้ eyeRobot จับคู่ความเร็วกับความเร็วของผู้ใช้ eyeRobot จะตรวจจับได้ว่าผู้ใช้กำลังผลักหรือชะลอการเคลื่อนที่ไปข้างหน้าหรือไม่ ซึ่งทำได้โดยการเลื่อนฐานของอ้อยไปตามราง เนื่องจากโพเทนชิออมิเตอร์จะตรวจจับตำแหน่งของอ้อย eyeRobot ใช้อินพุตนี้เพื่อควบคุมความเร็วของหุ่นยนต์ แนวคิดของ eyeRobot ที่ปรับให้เข้ากับความเร็วของผู้ใช้ผ่านเซ็นเซอร์เชิงเส้นนั้นได้รับแรงบันดาลใจจากเครื่องตัดหญ้าของครอบครัว ฐานของอ้อยเชื่อมต่อกับบล็อกนำที่เคลื่อนที่ไปตามราง โพเทนชิโอมิเตอร์แบบสไลด์ที่แนบมากับไกด์บล็อคจะอ่านตำแหน่งของไกด์บล็อคและรายงานไปยังโปรเซสเซอร์ เพื่อให้แท่งไม้หมุนได้เมื่อเทียบกับหุ่นยนต์ มีแท่งไม้วิ่งขึ้นไปบนท่อนไม้ ก่อตัวเป็นลูกปืนหมุน แบริ่งนี้จะถูกยึดติดกับบานพับเพื่อให้แท่งปรับความสูงของผู้ใช้ได้

Twist Sensor: เซ็นเซอร์บิดช่วยให้ผู้ใช้บิดที่จับเพื่อหมุนหุ่นยนต์ โพเทนชิออมิเตอร์ติดอยู่ที่ปลายด้ามไม้หนึ่งด้าม และใส่ลูกบิดและติดกาวที่ส่วนบนของด้ามจับ สายไฟวิ่งลงมาที่เดือยและป้อนข้อมูลการบิดเข้าในโปรเซสเซอร์

ขั้นตอนที่ 5: โปรเซสเซอร์

หน่วยประมวลผล: หุ่นยนต์ถูกควบคุมโดย Zbasic ZX-24a ซึ่งนั่งอยู่บนเมนบอร์ด Robodyssey Advanced II โปรเซสเซอร์ได้รับเลือกจากความเร็ว ความสะดวกในการใช้งาน ราคาไม่แพง และอินพุตแบบอะนาล็อก 8 ช่อง มันเชื่อมต่อกับเขียงหั่นขนมการสร้างต้นแบบขนาดใหญ่เพื่อให้สามารถเปลี่ยนแปลงได้ง่ายและรวดเร็ว พลังงานทั้งหมดสำหรับหุ่นยนต์มาจากแหล่งจ่ายไฟบนเมนบอร์ด Zbasic สื่อสารกับ roomba ผ่านพอร์ตของช่องเก็บสัมภาระ และควบคุมเซ็นเซอร์และมอเตอร์ของ Roomba ได้อย่างเต็มที่

ขั้นตอนที่ 6: ภาพรวมโค้ด

การหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง: สำหรับการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวาง eyeRobot ใช้วิธีที่วัตถุที่อยู่ใกล้หุ่นยนต์ออกแรงเสมือนกับหุ่นยนต์เคลื่อนตัวออกจากวัตถุ กล่าวอีกนัยหนึ่งวัตถุผลักหุ่นยนต์ออกจากตัวเอง ในการใช้งานของฉัน แรงเสมือนที่กระทำโดยวัตถุจะแปรผกผันกับระยะทางยกกำลังสอง ดังนั้นความแรงของการกดจะเพิ่มขึ้นเมื่อวัตถุเข้าใกล้และสร้างเส้นโค้งการตอบสนองที่ไม่เป็นเชิงเส้น:PushForce = ResponseMagnitudeConstant/Distance²แรงผลักดันที่มาจากเซ็นเซอร์แต่ละตัวจะถูกรวมเข้าด้วยกัน เซ็นเซอร์ทางด้านซ้ายจะดันไปทางขวา และในทางกลับกัน เพื่อให้ได้เวกเตอร์สำหรับการเดินทางของหุ่นยนต์ จากนั้นความเร็วของล้อจะเปลี่ยนไป ดังนั้นหุ่นยนต์จึงหันไปทางเวกเตอร์นี้ เพื่อให้แน่ใจว่าวัตถุที่อยู่ด้านหน้าหุ่นยนต์จะไม่แสดง "ไม่มีการตอบสนอง" (เนื่องจากแรงทั้งสองข้างสมดุล) วัตถุที่อยู่ด้านหน้าตายจะผลักหุ่นยนต์ไปทางด้านที่เปิดกว้างมากขึ้น เมื่อหุ่นยนต์ผ่านวัตถุแล้ว หุ่นยนต์จะใช้ตัวเข้ารหัสของ Roomba เพื่อแก้ไขการเปลี่ยนแปลงและกลับเข้าสู่เวกเตอร์เดิม

การติดตามกำแพง:หลักการของการตามผนังคือการรักษาระยะห่างที่ต้องการและมุมขนานกับผนัง ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อหุ่นยนต์หมุนสัมพันธ์กับผนังเนื่องจากเซ็นเซอร์ตัวเดียวให้ค่าการอ่านช่วงที่ไร้ประโยชน์ การอ่านพิสัยจะได้รับผลกระทบจากมุมของหุ่นยนต์กับผนังมากเท่ากับระยะห่างจริงจากผนัง เพื่อกำหนดมุมและกำจัดตัวแปรนี้ หุ่นยนต์ต้องมีจุดอ้างอิงสองจุดที่สามารถเปรียบเทียบเพื่อให้ได้มุมของหุ่นยนต์ เนื่องจาก eyeRobot มีเครื่องวัดระยะอินฟราเรดเพียงด้านเดียว เพื่อให้บรรลุจุดทั้งสองนี้ จึงต้องเปรียบเทียบระยะห่างจากเครื่องวัดระยะในช่วงเวลาที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ จากนั้นจะกำหนดมุมจากความแตกต่างระหว่างค่าที่อ่านได้ทั้งสองขณะที่หุ่นยนต์เคลื่อนที่ไปตามผนัง จากนั้นจะใช้ข้อมูลนี้เพื่อแก้ไขตำแหน่งที่ไม่เหมาะสม หุ่นยนต์จะเข้าสู่โหมดตามกำแพงเมื่อใดก็ตามที่มีกำแพงอยู่ข้างๆ เป็นระยะเวลาหนึ่งและออกจากมันเมื่อใดก็ตามที่มีสิ่งกีดขวางในเส้นทางของมัน ซึ่งผลักมันออกจากทางของมัน หรือหากผู้ใช้ใช้ที่จับบิดเพื่อนำ หุ่นยนต์อยู่ห่างจากกำแพง

ขั้นตอนที่ 7: รายการชิ้นส่วน

อะไหล่ที่ต้องการ:1x) Roomba create1x) แผ่นอะคริลิกขนาดใหญ่2x) Sharp GP2Y0A02YK IR rangefinder4x) Maxsonar EZ1 Ultrasonic rangefinders1x) ZX-24a microprocessor1x) Robodyssey Advanced Motherboard II1x) Slide potentiometer1x) Single turn potentiometer1x) Linear bearing1x) Solderless breadboard)))) บานพับ เดือย สกรู น็อต ตัวยึด และสายไฟ

ขั้นตอนที่ 8: แรงจูงใจและการปรับปรุง

แรงจูงใจ:หุ่นยนต์ตัวนี้ได้รับการออกแบบมาเพื่อเติมเต็มช่องว่างที่ชัดเจนระหว่างสุนัขนำทางที่มีความสามารถแต่มีราคาแพงกับอ้อยขาวราคาไม่แพงแต่มีจำกัด ในการพัฒนา Robotic White Cane ที่สามารถทำการตลาดได้และมีความสามารถมากขึ้น Roomba Create เป็นพาหนะที่สมบูรณ์แบบสำหรับการออกแบบต้นแบบอย่างรวดเร็วเพื่อดูว่าแนวคิดนี้ใช้ได้ผลหรือไม่ นอกจากนี้ รางวัลดังกล่าวจะช่วยสนับสนุนด้านเศรษฐกิจสำหรับค่าใช้จ่ายจำนวนมากในการสร้างหุ่นยนต์ที่มีความสามารถมากขึ้น

การปรับปรุง: จำนวนที่ฉันเรียนรู้ในการสร้างหุ่นยนต์ตัวนี้มีจำนวนมาก และที่นี่ฉันจะพยายามจัดโครงร่างสิ่งที่ฉันได้เรียนรู้ในขณะที่พยายามสร้างหุ่นยนต์รุ่นที่สอง:1) การหลีกเลี่ยงอุปสรรค - ฉันได้เรียนรู้มากมายเกี่ยวกับอุปสรรคแบบเรียลไทม์ การหลีกเลี่ยง ในกระบวนการสร้างหุ่นยนต์ตัวนี้ ฉันได้ผ่านรหัสการหลีกเลี่ยงสิ่งกีดขวางสองแบบที่แตกต่างกันโดยสิ้นเชิง เริ่มจากแนวคิดแรงวัตถุดั้งเดิม จากนั้นจึงย้ายไปยังหลักการของการค้นหาและค้นหาเวกเตอร์ที่เปิดกว้างที่สุด จากนั้นจึงย้ายกลับไปที่แนวคิดแรงวัตถุด้วย การรับรู้ที่สำคัญว่าการตอบสนองของวัตถุไม่ควรเป็นเชิงเส้น ในอนาคต ฉันจะแก้ไขข้อผิดพลาดที่ไม่ได้ทำการวิจัยออนไลน์เกี่ยวกับวิธีการที่ใช้ก่อนหน้านี้ก่อนที่จะเริ่มทำโครงการ เนื่องจากตอนนี้ฉันกำลังเรียนรู้การค้นหาโดย Google อย่างรวดเร็ว จะทำให้ได้เอกสารดีๆ มากมายในหัวข้อนี้ 2) การออกแบบแท่งไม้ เซ็นเซอร์ - เริ่มโครงการนี้ ฉันคิดว่าตัวเลือกเดียวของฉันสำหรับเซ็นเซอร์เชิงเส้นคือการใช้หม้อสไลด์และตลับลูกปืนเชิงเส้นบางประเภท ตอนนี้ฉันรู้แล้วว่าตัวเลือกที่ง่ายกว่ามากคือติดส่วนบนของแท่งไม้เข้ากับจอยสติ๊ก เพื่อที่การดันแท่งไม้ไปข้างหน้าก็จะเป็นการผลักจอยสติ๊กไปข้างหน้าด้วย นอกจากนี้ ข้อต่อสากลที่เรียบง่ายจะช่วยให้การบิดของแท่งไม้ถูกแปลเป็นแกนหมุนของจอยสติ๊กสมัยใหม่จำนวนมาก การใช้งานนี้จะง่ายกว่าแบบที่ฉันใช้อยู่มาก 3) ล้อหมุนฟรี - แม้ว่า Roomba จะเป็นไปไม่ได้ แต่ตอนนี้ดูเหมือนว่าหุ่นยนต์ที่มีล้อหมุนอิสระจะเหมาะสำหรับงานนี้ หุ่นยนต์ที่หมุนอย่างเฉยเมยไม่ต้องการมอเตอร์และแบตเตอรี่ที่เล็กกว่าและเบากว่า นอกจากนี้ ระบบนี้ไม่ต้องการเซ็นเซอร์เชิงเส้นเพื่อตรวจจับการผลักของผู้ใช้ หุ่นยนต์ก็จะหมุนไปตามความเร็วของผู้ใช้ หุ่นยนต์สามารถหมุนได้ด้วยการบังคับพวงมาลัยเหมือนรถยนต์ และหากผู้ใช้จำเป็นต้องหยุดก็สามารถเพิ่มเบรกได้ สำหรับ eyeRobot รุ่นต่อไป ฉันจะใช้แนวทางที่แตกต่างออกไปอย่างแน่นอน) เซ็นเซอร์แบบเว้นระยะสองตัวสำหรับการติดตามผนัง - ดังที่ได้กล่าวไว้ก่อนหน้านี้ ปัญหาเกิดขึ้นเมื่อพยายามติดตามกำแพงโดยใช้เซ็นเซอร์ที่หันด้านเดียว ดังนั้น จึงจำเป็นต้องย้ายหุ่นยนต์ระหว่างการอ่าน เพื่อให้ได้จุดอ้างอิงต่างๆ เซ็นเซอร์สองตัวที่มีระยะห่างระหว่างกันจะทำให้การตามผนังง่ายขึ้นอย่างมาก5) เซ็นเซอร์มากขึ้น - แม้ว่าจะต้องใช้เงินมากขึ้น แต่ก็เป็นการยากที่จะพยายามเขียนโค้ดหุ่นยนต์นี้ด้วยหน้าต่างไม่กี่แห่งในโลกภายนอกโปรเซสเซอร์ มันจะทำให้รหัสการนำทางมีประสิทธิภาพมากขึ้นด้วยอาร์เรย์โซนาร์ที่สมบูรณ์ยิ่งขึ้น (แต่แน่นอนว่าเซ็นเซอร์ต้องเสียค่าใช้จ่ายซึ่งฉันไม่มีในขณะนั้น)

ขั้นตอนที่ 9: สรุป

สรุป: iRobot ได้พิสูจน์แล้วว่าเป็นแพลตฟอร์มการสร้างต้นแบบในอุดมคติสำหรับการทดลองแนวคิดของ Robotic White Cane จากผลลัพธ์ของต้นแบบนี้ เห็นได้ชัดว่าหุ่นยนต์ประเภทนี้ใช้งานได้จริง ฉันหวังว่าจะพัฒนาหุ่นยนต์รุ่นที่สองจากบทเรียนที่ฉันได้เรียนรู้จากการใช้ Roomba Create ในเวอร์ชันต่อๆ ไปของ eyeRobot ฉันจินตนาการถึงอุปกรณ์ที่ทำได้มากกว่าแค่นำทางคนไปตามโถงทางเดิน แต่เป็นหุ่นยนต์ที่สามารถอยู่ในมือของคนตาบอดเพื่อใช้ในชีวิตประจำวันได้ ด้วยหุ่นยนต์ตัวนี้ ผู้ใช้เพียงแค่พูดจุดหมายปลายทางและหุ่นยนต์จะนำทางพวกเขาไปที่นั่นโดยไม่ต้องใช้ความพยายามอย่างมีสติจากผู้ใช้ หุ่นยนต์ตัวนี้จะเบาและกะทัดรัดพอที่จะยกขึ้นบันไดได้อย่างง่ายดาย และซุกตัวไว้ในตู้เสื้อผ้า หุ่นยนต์นี้จะสามารถทำการนำทางทั่วโลกได้นอกเหนือจากในพื้นที่ และสามารถแนะนำผู้ใช้ตั้งแต่ต้นจนจบโดยที่ผู้ใช้ไม่รู้หรือมีประสบการณ์มาก่อน ความสามารถนี้ทำได้ดีกว่าสุนัขนำทางด้วย GPS และเซ็นเซอร์ขั้นสูงที่ช่วยให้คนตาบอดสามารถนำทางโลกได้อย่างอิสระ Nathaniel Barshay (ป้อนโดย Stephen Barshay) (ขอขอบคุณ Jack Hitt สำหรับ Roomba Create)

ขั้นตอนที่ 10: การก่อสร้างและรหัส

คำพูดที่ไม่เกี่ยวข้องสองสามคำเกี่ยวกับการก่อสร้าง: สำรับทำโดยแผ่นอะครีลิคตัดเป็นวงกลมโดยมีช่องเปิดที่ด้านหลังเพื่อให้สามารถเข้าถึงอุปกรณ์อิเล็กทรอนิกส์ได้ จากนั้นจึงขันสกรูเข้ากับรูยึดข้างช่องเก็บสัมภาระ บอร์ดต้นแบบถูกขันเข้าไปในรูสกรูที่ด้านล่างอ่าว Zbasic ติดตั้งด้วยขายึด L โดยใช้สกรูตัวเดียวกับเด็ค โซนาร์แต่ละอันถูกขันให้เป็นชิ้นอะครีลิค ซึ่งจะต่อเข้ากับโครงยึด L ที่ติดอยู่กับเด็ค (วงเล็บ L จะงอไปด้านหลัง 10 องศาเพื่อให้มองเห็นได้ชัดเจนยิ่งขึ้น) รางสำหรับเซ็นเซอร์เชิงเส้นนั้นถูกขันเข้ากับเด็คโดยตรง และติดตั้งหม้อสไลด์โดยมีขายึด L อยู่ข้างๆ คำอธิบายทางเทคนิคเพิ่มเติมเกี่ยวกับการสร้างเซ็นเซอร์เชิงเส้นและแกนควบคุมมีอยู่ในขั้นตอนที่ 4

รหัส: ฉันได้แนบรหัสโรบ็อตเวอร์ชันเต็มแล้ว เป็นเวลากว่าหนึ่งชั่วโมงที่ฉันได้พยายามล้างมันจากโค้ดสามหรือสี่รุ่นที่อยู่ในไฟล์ มันน่าจะง่ายพอที่จะทำตามตอนนี้ หากคุณมี ZBasic IDE คุณควรดูได้ง่าย ถ้าไม่ได้ใช้ notepad ที่ขึ้นต้นด้วยไฟล์ main.bas และเปิดดูไฟล์.bas อื่นๆ