在几分钟内设计定制机器人

尽管机器人在世界各地越来越普遍，但制造起来仍然非常困难。从设计和建模到制造和测试，这个过程是缓慢和昂贵的:即使是一个小的改变也意味着需要几天或几周的时间来重新考虑和修改重要的硬件。

但是如果有一种方法可以让非专业人士一次完成不同的机器人设计呢?

麻省理工学院计算机科学与人工智能实验室(CSAIL)的研究人员正朝着这一目标迈进。在一篇新论文中，他们提出了一种名为“交互式Robogami”的系统，可以让你在几分钟内设计出一个机器人，然后用3d打印技术在短短4个小时内完成组装。

该系统的关键特性之一是，它允许设计师确定机器人的运动(“步态”)和形状(“几何形状”)，这是设计系统中经常分离的功能。

“设计机器人通常需要的专业知识只有机械工程师和机器人专家才具备，”博士生兼联合首席作者Adriana Schulz说。“令人兴奋的是，我们创造了一个工具，让普通用户可以通过向他们传授专业知识来设计自己的机器人。”

这篇论文发表在最新一期的《国际机器人研究杂志》(International Journal of Robotics Research)上，由博士研究生辛西娅·宋(Cynthia Sung)与麻省理工学院(MIT)教授沃伊切赫·马图斯克(Wojciech Matusik)和丹妮拉·罗斯(Daniela Rus)共同领导。

其他合著者包括博士生安德鲁·斯皮尔伯格、前硕士生赵薇、前本科生程罗宾和哥伦比亚大学教授埃坦·格里芬。(现在是宾夕法尼亚大学的助理教授。)

它是如何工作的

3d打印已经改变了人们将想法转化为实物的方式，使用户摆脱了更传统的制造方式。尽管有了这些发展，目前的设计工具仍然有空间和动作的限制，并且需要一个陡峭的学习曲线来理解各种细微差别。

交互式的Robogami旨在更直观。它使用模拟和交互反馈与算法进行设计组合，允许用户专注于高层次的概念设计。用户可以从超过50个不同的身体、轮子、腿和“外设”的库中进行选择，也可以选择不同的步骤(“步态”)。

重要的是，该系统能够保证设计切实可行，分析速度和稳定性等因素，提出建议，并确保，例如，用户不会创造出一个头重脚轻的机器人，使它在不翻倒的情况下无法移动。

一旦设计完成，机器人就会被制造出来。受折纸艺术启发，该团队的“3D打印和折叠”技术包括将设计打印为平面连接在节点上，然后将设计折叠成最终形状，将2D和3D打印最有效的部分结合起来。

“3D打印可以打印复杂的、刚性的结构，而2D制造则可以快速制造出轻而坚固的结构，”Sung说。“通过3d打印2D图案，我们可以利用这些优势，用轻质材料开发出坚固、复杂的设计。”

结果

为了测试该系统，研究小组让8名受试者接受20分钟的训练，并要求他们完成两项任务。

其中一项任务是在十分钟内设计出一款稳定的移动汽车。在第二项任务中，用户被要求设计一个机器人，并创建一个轨迹，以使机器人在最短的旅行时间内通过障碍物。

该团队总共制造了6个机器人，每个机器人的设计耗时10至15分钟，打印耗时3至7小时，组装耗时30至90分钟。该团队发现，他们的3D打印和折叠方法减少了73%的打印时间和70%的材料使用量。这些机器人还展示了广泛的运动范围，比如用单腿走路，使用不同的步骤序列，同时使用腿和轮子。

“你可以快速设计出一个可以打印出来的机器人，这将帮助你快速、轻松、廉价地完成这些任务，”Sung说。“这降低了每个人设计和制造自己的机器人的障碍。”

Rus公司希望人们能够将机器人应用到日常工作中，类似的系统和快速打印技术将使大规模的机器人定制和生产成为可能。

“这些工具为教授计算思维和创造提供了新的方法，”罗斯说。“学生们不仅可以通过编写代码和制造自己的机器人来学习，还可以将机器人的实际功能的概念引入生活。”

虽然目前的版本侧重于能够行走的设计，但该团队希望未来机器人能够飞行。另一个目标是让用户能够进入系统，根据机器人可以执行的任务来定义机器人的行为。

“这个工具可以在设计过程的早期阶段快速探索动态机器人，”迪斯尼研究院的研究科学家Moritz Bacher说，他没有参与这项研究。专家用约束和组合规则来定义构件，并为非专业人士制造复杂的机器人系统铺平道路。这一系统可能会激发后续工作，针对更复杂的机器人的计算设计。”