平衡机器人的故事

这个故事我已经讲了大概100遍了，但从来没有花时间把它写下来。我有很多像这样有趣的故事，但我认为这将是我的第一篇Medium文章的最佳主题。我从来没有想过要以机器人为职业，但事实证明——也许这些惊喜就是我如此热爱机器人的原因吧!20年前，就在互联网崩溃之后，我是一名顾问，有很多空闲时间。我开始把更多的时间花在制造机器人的爱好上，随后在硅谷家酿机器人俱乐部(Silicon Valley Home Brew Robotics club)遇到了其他志趣相投的人。我在俱乐部遇到的第一批人之一是鲍勃·艾伦，他是一位电子工程师，在他的车库里有一个机械车间，他能制造令人惊叹的机械产品。他在过去制造过一些战斗机器人，并在两个电视节目中参与了他的机器人。我们都对一起工作，做更有趣和复杂的机器人项目感到疯狂兴奋，我们可以利用机器人的三个学科:机械、电子和软件工程。当时，我的机械工程技能严重缺乏。当时很难找到适合机器人的机械零件，但由于在电视上很受欢迎，战斗机器人的零件更容易买到。我有一堆这样的零件，急于把它们组装起来。 I remember one afternoon going over to Bob’s house to discuss the possibility of doing a collaborative robot project using this parts pile. His first comment was:

你疯了吗?如果你用那种东西建房子，你会毁了你的房子的。

然后他给我看了一段视频，视频里的机器人可以靠两个轮子保持平衡。我想，“哇，这太神奇了。我以前从未见过这样的东西。”它很小，可能不会毁了我的房子。我们想知道我们是否能造出类似的东西。

没那么难吧?

几个月后，我们终于有了一套电子设备，找到了合适的电机，准备尝试让它保持平衡，并四处行驶。然后，最难的部分来了。制造机器人是一回事，但让它保持平衡的软件问题却是重大的。我想我们花了3个月的时间才让它不倒，还要花更多的时间让它四处行驶。第一个机器人以《飞出个未来》中可爱的喝啤酒机器人“Bender”命名。它摔得太厉害了，所以用一个整天喝水的机器人来给它命名就说得通了。

平衡机器人本德——大约2002年

硅谷过去有大量的“技术”回收场所，你可以进入一个堆满旧电脑部件、马达和电线的仓库，以极低的价格购买这些旧物品。我记得我和鲍勃去了很多地方寻找能把本德组装起来的零件。我还记得鲍勃和机器人俱乐部的其他成员带着一些罕见的、有趣的发动机参加俱乐部会议的情景，他们在其中一个地方的垃圾桶里发现了这些发动机。他们是濒临绝种的商店。其中一个更受喜爱的，HSC电子最近关闭了，他们将会想念的爱好者经常去他们每个周末。

控制理论探索....

刚开始做这个项目时，我对控制理论知之甚少，但我学得很快。平衡机器人本质上是经典倒立摆问题的倒置实现:每次我讲这个故事，人们都想知道细节。“你是怎么做到的?”你用了什么零件?”我可能可以就这个主题单独写一篇论文，但对于一篇Medium文章，我在这里能做的最好的总结。我通过艰苦的学习了解到，要想让平衡机器人正常工作，机器人需要具备以下条件:

• 高扭矩齿轮电机(100转或更低)
• 编码器反馈您的齿轮马达
• 惯性测量单元
• 一个微控制器大小的CPU -这里不需要太多。

如今，很多公司都在生产用于智能手机或其他消费设备的6轴或9轴imu。在维基百科上查找IMU的词条，发现各种各样阿波罗太空计划的有趣图片，这很有趣。现在，IMU =陀螺仪+加速度计+指南针都融合在一个芯片设备上，或者你可以把每个传感器分开，然后用数学把它们融合在一起。在2002年，选择非常少。我在一个闲置的地方发现了一些陀螺是由。它们是一种单轴压电装置，最初是为摄像机和电脑鼠标内部制作的。它们没有被广泛使用，但由于某种原因，剩余商店有一大箱。这是一家大型的教育和业余机器人供应商刚刚开始销售由。它是3轴的，但是很吵，并且有线性化的问题。这意味着如果你把加速度计放在它的边缘，慢慢地360度旋转它，你应该能够根据出来的数据画出一个完美的圆。 The data from this accelerometer looked more like a garden squash than a circle. The big software challenge is you need a control loop where you read the IMU, remove all the drift and bias, and then move the wheels in the correct direction to keep them underneath the robot so it doesn’t fall down. It turns out that the speed of this control loop is not terribly critical. On all my early attempts, about 30hz was enough to keep the robot stable. It still sounds pretty easy as I am describing it, right? Once you dig into the details, it gets tricky. In 2020 the IMU units you can buy off the shelf, are pretty inexpensive, and not as finicky. In 2005, this was not the case. We had a single-axis gyro, and a two axis accelerometer. Both of these devices had measurement issues. The gyro is the most important measurement device that you use for keeping the robot upright. It gives you the rate of rotational acceleration as the robot starts to fall. The problem is, if you just put a gyro on a non-moving surface, like a desk and start taking readings from it, the zero point will slowly start to move or “drift”. Compensating for this drift is the hard part. How can you measure a sensor when zero is constantly moving? The solution to this problem is to take another sensor that doesn’t move as much when you are sitting still, and reference to its zero instead to remove the drift. There is another problem though. Both sensor measurements, and total sensitivity move around with temperature. Whew!

我如何获得稳定的测量，我可以用来平衡我的机器人？

答案在于一种来自统计和控制的算法，叫做卡尔曼滤波。你用这些测量值，通过卡尔曼滤波，你就可以估算出你认为真实测量值的实际位置。我的数学能力从大学开始就荒废了，但当我深入研究如何实现其中一个时，我真的必须回到基础，学习该怎么做。我花了相当多的工作才建立了一个简单的卡尔曼滤波算法，我可以用它来融合我的笨拙的陀螺仪和加速计。一旦我让它工作，我可以看到，当我的小IMU板实际上没有移动时，我的滤波器的输出将保持稳定，当它移动时，测量值将朝着正确的方向移动。接下来，我需要一个控制理论方法来保持机器人的平衡。有很多不同的方法，但我想要简单的。搞清楚卡尔曼滤波后我的脑子就疼了。最简单的方法是使用PID控制器。事实证明，一个PID控制器本身通常只是足以保持机器人站立，但不一定处理所有的问题，如开车，负载偏移，或处理所有其他与碰撞有关的问题。 I learned I had to add lots of extra terms to my PID equations, as well as software filters, to begin achieving great results. After all my experiences with balancing robots, here are the hard problems to demonstrate solutions to — If you have a robot yourself, try these practical tests and see if you can do it:

• 偏移量负载 - 在平衡机器人的顶部放入加权的东西。它会逃跑，还是让它在地上的位置？
• 在斜坡上保持平衡-你能把你的机器人放在斜坡上，它能保持它的位置吗?

• 降低质量——平衡机器人的人会给你一个典型的建议，就是让机器人的质心尽可能高地保持平衡。这有点像把扫帚放在手上保持平衡。大多数人都是用柳条做的。这就像把柳条头朝下做一样。

• 以恒定速度行驶——它能在地面上以恒定速度行驶吗，包括在坡道上和下?
• 驾驶障碍 - 它可以在门阈值或延伸线上驱动吗？
• 在驾驶时遇到障碍——它是弹回来优雅地恢复，还是向后弹回来，卷起风，然后撞回障碍?

终于到了制作一个更小的、改良版的本德的时候了，它可以做更多的事情。我从我所有的工作中学到的一件事是，更大的平衡机器人通常更容易保持平衡。移动速度变慢，所以控制系统在进行微小修正时不需要那么严格。制作一个非常小的平衡机器人会变得越来越难。在电视剧《飞出个未来》中，本德有个弟弟叫Flexo。所以，用他的名字来命名新机器人是有道理的。

柔性机器人-大约2003年

因为我现在有一个PID算法,可以平衡机器人和一个抵消负载在其上,也能够驱动上下坡道,我可以很容易地安装一个移动,pant-tilt-camera钻机顶部的机器人没有任何害怕的运动机器人相机撞翻了。我们使用了一个彩色跟踪摄像机，并调整它来跟踪红色。所以你可以把任何红色物体放在它前面，它会慢慢地向你靠近。一旦它靠近你，它就会站在那里盯着你看。他工作的时候，我们带他去了机器人俱乐部，那里有个孩子穿着一件红色的运动衫，机器人真的很喜欢。

一旦我们知道如何做到这一点，让更多的平衡机器人似乎更容易。我们建立了一个偏执的柔版，称为大红色，另一个名为FAT Albert的版本，可能会拆除它自己铺设在地板上。

大红-大约2006年

胖阿尔伯特机器人-大约2005年

Fat Albert有一个独特的机制和软件实现，允许从地板转换到站立，然后再次回到地板上。我们在整个设置上申请了多项专利，并将它们保持活跃于多年，但仍然没有想到与这些专利有关。（如果你对他们有一个想法，请随时与我联系。）Bob认为我们可能会找到一些可能有兴趣为我们开发这些事情的专业知识以及可能也有兴趣支付的公司！他于2004年在圣何塞举行的第一届贸易展上买了一场展位。在节目的第一天，我们站在我们的展位上，柔版展示了他平衡的机器人秀，谁应该漫步到过道骑行，但他自己。他骑着，停了一下，笑话说，“哇！看那个！我从未见过那样的东西！“

-虽然这还不足以让他从滑板车上下来。第二天，我们遇到了一群热情的孩之宝工程师。他们正在寻找更有趣的机器人玩具产品，可以添加到他们的生产线上，并在玩具开发中提供更先进的传感器。我们被邀请去罗德岛给一个更大的工程团队展示我们的能力。鲍勃问:“我们需要准备一个更正式的报告吗?”他们的回答是:“只要去，带一些机器人来展示和讲述就行了。”当我们到达公司总部时，我们被送到一个看起来可以容纳100人的巨大会议室，有20个人坐在那里等着听我们的“演示”。噢,不!我们以为我们完全搞砸了，但我们只是打开了机器人，鲍勃开始说话。我通常是一个非常大声、健谈的人，鲍勃对我说，这是他第一次看到我说不出话来。 Pretty soon, the crowd warmed up, got out of their seats, and started coming to look at the robots up close, and it all worked out fine. We signed up with them to help, and a company was born! Bob and I started a robotics consultancy called . in 2005. was our first customer, and from there we were able to take on more and more interesting robotic projects as well.

我在罗德岛的孩之宝总部

孩之宝从来没有忘记这个平衡机器人的想法可能是一个伟大的产品概念，所以他们投资开始把我们的原型机器人Flexo，变成可以作为玩具或消费品出售的东西。第一步是去除多余的部件，开始整合消费级部件和发动机。第一个原型的目标是让机器人驱动系统启动并工作。他们制造了两个机器人:一个是3D打印的完整原型，看起来像玻璃一样脆弱，另一个只是传动系统，上面安装了我们现有的电子设备。

第一个AMP原型-玻璃人

传动系的原型

我们突破了两个原型，而不是我数量的数量。每次破产时，我都会打电话给鲍勃，他会过来，我们会弄清楚聪明的方式把它粘在一起。最终在吨审判和错误之后我们有一些工作，所以那时是时候做了真实的事情。3D打印回来然后是相当新的，而不是易于访问。(I think it’s maybe a topic for a whole additional article on how the robot got tooled up in a Chinese factory and ready to start manufacturing, so I will leave that story for another day.) After a few trips to China, meeting some fantastic factory people, and a bunch more work, we finally had the real product ready to go.

A.M.P.- 自动化音乐人格

这个产品被命名为A.M.P.——自动音乐个性。或AMPbot。它不仅是一个平衡机器人，而且里面还有一个非常可爱的便携式音箱，所以它也是一个扬声器。它有一个软件，可以感应到正在播放的音乐。

当时是2008年，原本计划在2009年初发布，但事实并非如此。2008年的金融危机改变了所有玩具公司的优先级，在只生产了大约12个预生产原型后，AMPBot被取消了。

到了2010年，我们希望能有办法让它复活。我们从孩之宝那里得到许可，如果我们能找到足够的投资，我们可以自己把它推向市场。我们重新激活了我们所创造的有限原型，所以我们有许多可供展示和演示的原型。

如果你把安保人员单独留在办公室过夜会怎么样。

2010年，我们带着AMP参加了演示大会，并试图将其作为自己的项目推出。我们发现很多机器人爱好者都想让他呆在家里。谁不想要一个会放音乐的机器人呢?

这里是AMP在活动上的完整描述。

我们参加了多个贸易展会，试图找到制作AMP的兴趣。在这里，我向TMC描述了2012年CES上的AMP。

保持OLogic我们把时间花在了咨询工作上，同时试图弄清楚如何让AMP走出大门。我们获得了一个一次性的项目，为谷歌构建一些小型平衡Android机器人，并带他们参加各种活动，如谷歌IO、谷歌Sandbox和伦敦。鲍勃和我玩得很开心，就像一个巡回马戏团把这些机器人带到这些活动中。谷歌是一个非常棒的客户，和他一起工作是非常棒的。

在纽约平衡谷歌机器人

我们利用我们的平衡机器人专业知识，帮助硅谷的许多其他公司调试他们的平衡机器人，并使其正常工作。许多人需要保持匿名，但我们有很多乐趣帮助他们的项目运作良好。

平衡小组的概念

这个关于平衡机器人的故事有一个快乐和悲伤的结局。在此过程中，我交了很多朋友，并创办了一家很酷的机器人咨询公司，如今这家公司正在蓬勃发展。然而，AMP似乎从来就不是我想要的。这些原型还在我们的大厅里OLogic现在，我的平衡机器人传奇已经结束了。鲍勃·艾伦已经退休OLogic现在，在新冠病毒(COVID)肆虐的时代，机器人俱乐部正在进行虚拟会议，我强烈建议你去看看

你可能会在机器人俱乐部遇到我或鲍勃，他们正在沉迷于我们最喜欢的消遣——机器人!

这很有趣，当我在互联网上进行互联网并为“平衡机器人”进行谷歌搜索时，有几十个arduino试剂盒可以购买，只需为您弄清楚所有的硬质东西。回到2003年，如果您搜索这样的事情，它会产生很少的结果。你不得不从你在电子垃圾商店挖出的剩余部分烘烤自己。如果您有兴趣构建自我平衡的机器人，我会非常建议您看看那些易于建立的套件中的一个，以便您入门。天啊！世界在20年内如何发生变化。