CARA – Halat Kullanan Yüksek Hassasiyetli Robot Köpek

• CARA, halat mekanizmasını kullanarak mevcut yaklaşımlardan ayrışan yüksek hassasiyetli bir robot köpektir
• İlk konum kalibrasyonu için her eklem, fiziksel sınırını bulmak üzere akım değişimini algılayan bir homing sürecinden geçer
• Ters kinematik (IK), ileri kinematik (FK) ve dönme kinematiği (RK) olmak üzere üç tür denklemle bacak konumu ve duruşu hassas biçimde kontrol edilir
• Sikloid yörünge tabanlı yürüme deseni kullanılarak doğal hareket ve akıcı davranış elde edilir
• Trot gait ile çapraz bacaklar aynı anda hareket eder; ileri yön, dönüş ve diğer çeşitli hareketler desteklenir

---

Programlama

Homing sekansı

• CARA programlamasının ilk adımı, eklem homing (otomatik konum kalibrasyonu) sekansının geliştirilmesidir
• Homing sırasında, her eklem motor milinin mutlak konum enkoderi ile yalnızca göreli eklem konumu ölçülebilir
• Başlangıçta eklem fiziksel sınırına kadar döndürülür ve bu noktaya ulaşıldığı akım artışı üzerinden algılanır
• Fiziksel sınıra ulaşıldıktan sonra eklemin mutlak konumu atanabilir
• Bu süreç, her başlatmada bir kez mutlaka çalıştırılmalıdır

Kinematik

• Gövde hareketini kontrol etmek için toplam üç denklem kullanılır: ters kinematik (IK), ileri kinematik (FK) ve dönme kinematiği (RK)
• IK denklemi: Bacağı (ayak ucu veya end-effector) istenen X, Y, Z konumuna yerleştirmek için gereken eklem açılarını hesaplar
• FK denklemi: Mevcut eklem açılarını girdi olarak alıp ayağın X, Y, Z konumunu hesaplar
• Yörünge planlamasında önce FK ile mevcut konum hesaplanır, hedef noktaya kadar ara waypoint hesaplaması yapılır (Arduino RAMP kütüphanesi kullanılır) ve her waypoint için IK ile eklem açıları çıkarılır
• RK denklemi: Gövdenin roll, pitch ve yaw eksenlerindeki dönüşü için gerekli ayak konumunu hesaplamakta kullanılır
  • RK ile hesaplanan ayak konumuna göre açı değerleri tekrar IK ile bulunur
  • Duruş kontrolü (pose control) ve stabilitenin korunması gibi alanlarda kullanılır; robotun yerinde gövde döndürmesi yapmasına veya dengesini korumasına katkı sağlar

Yürüme

• CARA'nın yürüyüşü, sikloid yörünge tabanlı step trajectory uygulayarak akıcı ve gerçekçi hareket sağlar
• Üçgen ve dörtgen step yörüngeleri de denenmiştir ancak akıcılık, bacakların engellerden kaçınması ve doğal hareket açısından daha zayıf kalmıştır
• Ana yürüyüş biçimi trot gait'tir (çapraz bacakların eşzamanlı hareketi); hareket, swing phase (havada öne hareket) ve stance phase'den (zeminde geriye itme) oluşur
• Yürüyüş sırasında swing ve stance phase'leri, çapraz bacak çiftleri arasında dönüşümlü olarak tekrar edilerek sürekli adım oluşturulur
• İleri-geri dışında diğer yönlerde yürürken trot deseni korunur, yalnızca bacakların step açısı değiştirilir
• Dönüşte bir çift dışa, diğer çift içe doğru step alarak kavisli veya yerinde dönüş gerçekleştirilebilir

[GN⁺]

Hacker News görüşleri

• Aaed'in capstan drive videolarını defalarca izledim; gerçekten harika bir iş, yüksek hız ve yüksek tork, makul uyumluluk ve neredeyse sıfır backlash var; gerçekten mühendislik zihniyetini görmek etkileyici
  • Ben de videolarını yakın zamanda keşfettim; her izlediğimde kafam yapmak istediğim fikirlerle dolup taşıyor, tek üzücü taraf zamanın yetmemesi (hemen yanımda da ilgimi bekleyen bir breadboard var). İlginç olan kısım YouTube algoritması; YouTube'da önce benim gördüğüm konular bir-iki hafta sonra sık sık Hacker News'te çıkıyor. Bunun algoritmanın iyi olduğunun mu yoksa başarısız olduğunun mu işareti olduğundan emin değilim. Belli ki bazı popüler videoları ilgili kişilere iyi gösteriyor, ama izlediklerimin gerçekten en iyiler mi yoksa tesadüfen dikkat çekmiş az sayıdaki harika iş mi olduğunu merak ediyorum. Bazen yıllardır var olan faydalı kanalları çok geç keşfediyorum; bunu görünce aslında izlemeye değer çok daha fazla iyi içerik olduğunu hissediyorum. Sadece şanssız olduğum için mi görmedim, yoksa ancak şimdi mi şanslı oldum, ya da algoritma rastgele bir eşik veya ilgi özelliğimi algılayıp mı önerdi diye düşünüyorum
  • Eskiden film rulolarını tarama ekipmanında capstan ile çevirirdik; yüksek hızlıydı, hassastı ve backlash yoktu, gerçekten iyi bir teknoloji. Bu yüzden yüksek tork eksikliği ya da aşınma nedeniyle pek kullanılmadığını sanıyordum ama galiba durum tam olarak öyle değil
  • Aaed en sevdiğim içerik üreticilerinden biri; elbette YouTube'da ondan daha iyi mühendisler ya da uzmanlar, daha eğlenceli insanlar vardır, ama o gerçekten çok iyi bir denge tutturuyor. Bir sürü teknoloji, popüler bilim ve endüstriyel tasarım kanalı da takip ediyorum; ilgilenirsen tavsiye listemi paylaşabilirim, şu sıralar kanallarımı düzenliyorum
  • Capstan drive videoları arasında köpekle ilgili olanı izlemedim ama temel açıklama videosu (High Precision Speed Reducer Using Rope) mükemmeldi. Bir yıldır bu teknolojinin hayalini kuruyorum; özellikle aynı dönemde da Vinci robot aktüatörlerini (kabloyla yüksek hassasiyetli kontrol) ele alan biri de olduğu için daha da etkileyiciydi. (Building a DIY Surgical Robot)
• Geçen hafta bu videoyu izledim ve resmen ağzım açık kaldı; hem olağanüstü bir teknisyen hem de çok iyi bir anlatıcı. Test stratejisini yeterince açıkladığı için düşünme biçimini ve metodolojisini anlayabildim; gereksiz yere uzatmadan uygun şekilde özetliyor, gerçekten bir başyapıt
• Geçen hafta Aaed ile gerçekten tanıştım; proje parçalarını basıyordu (aynı şirkette çalışıyoruz) ve HN'de 1 numaraya çıkması gerçeküstü gibi geldi
• Sunum gerçekten harikaydı, birinin bu arkadaşı hemen işe alması gerektiğini düşünüyorum
  https://www.aaedmusa.com/
  • 12 yaşındaki oğluma, müfredatı tamamladıktan sonra kendi web sitesini şöyle şekillendirmesi için ilham vermeyi planlıyorum: "CARA (Capstans Are Really Awesome), en yeni quadruped robotum; ZEUS, ARES ve TOPS'un devamı. Bir yıl boyunca geliştirildi ve şimdiye kadar yaptığım quadruped robotlar arasında en dinamik ve en iyi tasarlanmış olanı."
  • Yeteneği, motivasyonu ve uygulama becerisi bu kadar kanıtlanmış birinin sıradan şirket işe alım yoluna girmesi aslında pek uygun bir yol değil. Onun startup'ını desteklemek çok daha iyi bir seçim olur
  • Proje ve YouTube çalışmalarıyla da fazlasıyla tatmin oluyor olabilir
• Sadece robotik uygulamanın kendisi değil, bunu videoyla izleyiciye aktarma biçimi de olağanüstü. Bugünlerde internette videoların kalitesi gerçekten şaşırtıcı. Kişisel atölyede kullanılabilen araçlar giderek daha iyi hale geliyor ve sanırım bu değişim sayesinde gelecekte daha çok böyle şey keşfedeceğiz
• Sanki onunla ilgili bir gönderi daha önce burada HN'de de vardı; böyle harika şeyleri bizzat yapıp videolarla öğretmesini görünce yine hayran kaldım, bundan sonra kaçırmamak için abone oldum
• Bu gerçekten hayranlık uyandıran, inanılmaz bir çalışma
• Professor of Upstairs Neighboring. https://youtu.be/8s9TjRz01fo?t=1128
• Bu kadar "hassas" bir dişli oranı elde etmek için neden bu kadar çaba gerektiğini merak ediyorum; çok basamaklı bir sayı olması onu mutlaka "hassas" yapmaz. Bir de bu yapının aşınma ve yorulmaya karşı ne kadar dayanıklı olduğunu merak ediyorum
  • Aslında o kadar çok çaba gerekmemiş olabilir; 3D baskı yaparken zaten parçaları iki-üç kez yeniden basmak olağan bir şey ve bu süreçte dişli oranını tutturmak doğal hale geliyor. Ayrıca başkalarına aktarım dişlisi tasarımı konusunda "yüksek hassasiyetli" bir tasarım sunduğunu söylemek istiyorsan, hedefin dişli oranı 8 ise yaklaşık 7.9~8.2 aralığıyla yetinemezsin
  • Bu bir kinematik problemi. Dişliler ne kadar hassassa model de gerçeğe o kadar iyi uyar. Bu yüzden uzmanlar yüksek darbenin olduğu sahnelerde dişli ya da halat yerine motoru doğrudan ekleme takar. Deformasyonu/esnemeyi de hesaba katmak pratikte imkânsız. En azından yakın zamanda gördüğüm robotik çalışmalarında durum buydu

  • çok basamaklı bir sayı onu hassas yapmaz
    Aslında daha fazla ondalık basamak, precision (hassasiyet) tanımının kendisi değil mi?

  • Videoda o kısım bana da biraz kafa karıştırıcı geldi; belki de kullanılan araçların sınırlarıyla ilgiliydi
• Böyle eğlenceli ve iyi yapılmış bir videoyu paylaştığın için teşekkürler; gerçekten keyifli bir projeydi ve anlatım gücü olağanüstüydü. Bu tür iletişim becerisi gerçekten çok etkileyici, ben de bu konuda daha iyi olmak isterdim