啟智MANI是一款專(zhuān)門(mén)用于移動(dòng)抓取教學(xué)的機(jī)器人平臺(tái)。其擁有麥克納姆輪全向移動(dòng)底盤(pán)、硬件里程計(jì)、激光測(cè)距雷達(dá)、立體視覺(jué)相機(jī)、四自由度機(jī)械臂等一系列配置。機(jī)載計(jì)算單元集成384枚GPU硬件加速器，具有的三維圖形處理和神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)運(yùn)算能力。所有實(shí)驗(yàn)例程基于ROS機(jī)器人操作系統(tǒng)，實(shí)驗(yàn)內(nèi)容覆蓋ROS的Navigation、MoveIt、OpenCV、PCL等多個(gè)子系統(tǒng)和函數(shù)庫(kù)，完整實(shí)現(xiàn)環(huán)境建圖、定位導(dǎo)航、運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃、機(jī)器視覺(jué)和三維感知等經(jīng)典技術(shù)。除了基于硬件實(shí)體的現(xiàn)場(chǎng)實(shí)驗(yàn)，還特別設(shè)計(jì)了基于Gazebo的軟件仿真實(shí)驗(yàn)，非常適合移動(dòng)抓取機(jī)器人技術(shù)的教學(xué)和研究。
底盤(pán)系統(tǒng)
啟智MANI機(jī)器人底盤(pán)為麥克納姆輪四驅(qū)結(jié)構(gòu)，具備360°全向移動(dòng)特性。減震系統(tǒng)采用針對(duì)麥克納姆輪進(jìn)行特別優(yōu)化的增強(qiáng)型麥弗遜獨(dú)立懸掛，相較于傳統(tǒng)麥弗遜，具有更強(qiáng)的輪面穩(wěn)定性，確保麥克納姆輪與地面的接觸角度，在提高越障能力的同時(shí)，依然保持了全向運(yùn)動(dòng)的位移精度。
激光雷達(dá)
啟智MANI機(jī)器人使用新版本的RPLIDAR激光雷達(dá)。相較于舊版本，在360°全方向掃描障礙物的同時(shí)，具備更高的采集頻率和更遠(yuǎn)的探測(cè)距離，進(jìn)一步增強(qiáng)了機(jī)器人的環(huán)境探測(cè)能力和運(yùn)動(dòng)避障性能。
機(jī)械臂
啟智MANI機(jī)器人搭載了一臺(tái)OpenManipulator-X機(jī)械臂。該機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)輕巧靈活，每個(gè)關(guān)節(jié)都具備位置環(huán)和電流環(huán)控制功能，可通過(guò)總線(xiàn)通訊精確反饋每個(gè)關(guān)節(jié)的當(dāng)前角度。結(jié)合ROS的MoveIt!子系統(tǒng)，可以輕松實(shí)現(xiàn)機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解，快速精準(zhǔn)的完成各種物體抓取和放置任務(wù)。
GPU硬件加速
啟智MANI機(jī)器人的主控計(jì)算機(jī)，使用NVIDIA新推出的Jetson Xavier NX運(yùn)算單元，在保持車(chē)體結(jié)構(gòu)緊湊的同時(shí)，帶來(lái)了強(qiáng)大計(jì)算性能。Jetson Xavier NX內(nèi)置 384 枚 CUDA 硬件運(yùn)算核心、48 個(gè) Tensor Core 和 2 個(gè) NVDLA 引擎，具備21 TOPS 的計(jì)算加速能力。如此強(qiáng)悍的性能，讓其可以并行運(yùn)行多個(gè)現(xiàn)代神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)，并同時(shí)處理來(lái)自多個(gè)傳感器的高分辨率數(shù)據(jù)。
三維視覺(jué)系統(tǒng)
啟智MANI機(jī)器人的視覺(jué)系統(tǒng)，使用微軟新推出的第四代Azure Kinect立體相機(jī)。該相機(jī)集成了深度，視覺(jué)，聲音和方向四大類(lèi)傳感器，其中包括100萬(wàn)像素TOF深度傳感器、1200萬(wàn)像素RGB彩色攝像頭、7麥克風(fēng)圓形陣列和6軸慣性測(cè)量單元IMU。三維視覺(jué)分辨率比上一代Kinect提高了四倍，探測(cè)范圍擴(kuò)大了50%，配合強(qiáng)大的GPU計(jì)算能力，可以更快更精確的識(shí)別、定位和追蹤目標(biāo)物體。
參數(shù)列表
整機(jī)參數(shù) | |
整體重量 | 20KG |
底盤(pán)負(fù)載 | 50KG |
運(yùn)動(dòng)性能 | 速度1.5m/s，推力80牛。 |
驅(qū)動(dòng)方式 | 全向麥克納姆輪 |
尺寸 | 長(zhǎng)568mm寬426mm高655mm |
電控系統(tǒng) | 分布式控制系統(tǒng)，采用總線(xiàn)通訊方式，每個(gè)動(dòng)力單元配備獨(dú)立高精度伺服系統(tǒng)。 |
機(jī)械結(jié)構(gòu) | 模塊化框架設(shè)計(jì)，機(jī)械擴(kuò)展性強(qiáng)，維修和改裝方便。特別設(shè)計(jì)的懸掛減震系統(tǒng)，具有優(yōu)秀的運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定性。 |
主體材質(zhì) | 高級(jí)航空鋁數(shù)控加工底盤(pán)，高強(qiáng)度合金骨架，部分承力結(jié)構(gòu)使用鋼制材料。 |
運(yùn)算單元 | |
硬件性能 |
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通訊接口 |
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其他外設(shè) |
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操作系統(tǒng) | ROS Noetic / Ubuntu 20.04 |
動(dòng)力系統(tǒng) | |
總線(xiàn)系統(tǒng) |
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電機(jī) |
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麥克納姆輪 |
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底盤(pán)結(jié)構(gòu) | |
懸掛結(jié)構(gòu) | 增強(qiáng)型麥弗遜獨(dú)立懸掛，相較于傳統(tǒng)麥弗遜，具有更強(qiáng)的輪面穩(wěn)定性。 |
橫向輪距 | 橫向輪距360mm，采用多連桿穩(wěn)定設(shè)計(jì)，越障時(shí)輪距變化不超過(guò)1.2mm。 |
縱向輪距 | 縱向輪距400mm，具有較強(qiáng)的越障平穩(wěn)性，越障高度20mm。 |
機(jī)械手臂 | |
自由度 | 4 |
臂長(zhǎng) | 380mm |
自身重量 | 700G |
末端負(fù)載 | 500G |
夾持范圍 | 20mm~75mm |
配套資源 | 提供完整的運(yùn)動(dòng)模型資料，附帶運(yùn)動(dòng)學(xué)函數(shù)接口，可以在ROS系統(tǒng)中直接進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)規(guī)劃。 |
激光雷達(dá) | |
掃描范圍 | 360° |
探測(cè)距離 | 12m |
測(cè)距精度 | 0.3cm |
掃描精度 | 0.9° |
立體相機(jī) | |
成像技術(shù) | 采用第四代TOF技術(shù) |
分辨率 | 4096×3072 |
橫向視角 | 120° |
縱向視角 | 120° |
幀率 | 30 fps |
加速度計(jì) | 內(nèi)置3軸加速度計(jì) |
陀螺儀 | 內(nèi)置3軸陀螺儀 |
接口 | USB 3.0 |
電源 | |
電池 | 1. 進(jìn)口優(yōu)質(zhì)鋰離子電池，輸出電壓24V，容量10.5AH。模塊化全密封結(jié)構(gòu)，具有能量密度高、放電能力強(qiáng)、安全性高的特點(diǎn)； 2. 電池模塊配備獨(dú)立保護(hù)電路，具有過(guò)充、過(guò)放、過(guò)流及短路保護(hù)功能； 3. 放電電流20A，放電功率480W，充電時(shí)間2.5小時(shí)。 |
軟件功能
1. URDF模型描述——啟智MANI機(jī)器人具備完整的URDF模型描述，可以在ROS系統(tǒng)里直接加載。
2. 三維立體視覺(jué)——啟智MANI機(jī)器人采用第四代的TOF立體相機(jī)，探測(cè)距離達(dá)到12米，視角120°，適用于對(duì)室內(nèi)環(huán)境的三維模型重構(gòu)。
3. SLAM環(huán)境建圖——啟智MANI機(jī)器人裝備了新一代360°激光雷達(dá)，可以實(shí)時(shí)掃描機(jī)器人周?chē)恼系K物分布狀況，借助HectorSLAM和GMapping算法，創(chuàng)建環(huán)境地圖。
4. 自主定位導(dǎo)航——啟智MANI機(jī)器人將激光雷達(dá)掃描的距離信息與電機(jī)里程計(jì)數(shù)據(jù)進(jìn)行融合，使用AMCL方法進(jìn)行地圖定位，結(jié)合ROS的move_base進(jìn)行自主導(dǎo)航。
5. 機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)學(xué)——啟智MANI機(jī)器人可使用MoveIt!子系統(tǒng)對(duì)機(jī)械臂進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)正反解計(jì)算，并完成運(yùn)行路徑的自動(dòng)規(guī)劃。
6. 物品抓取——啟智MANI機(jī)器人通過(guò)立體相機(jī)獲得三維點(diǎn)云，對(duì)點(diǎn)云中的物品進(jìn)行檢測(cè)、匹配和輪廓辨識(shí)，計(jì)算每個(gè)物品的外形尺寸和三維空間坐標(biāo)。然后使用機(jī)械臂完成物品抓取操作。
7. 多機(jī)器人系統(tǒng)——啟智MANI機(jī)器人可以多臺(tái)實(shí)現(xiàn)相互配合協(xié)作?；赗OS開(kāi)發(fā)的群體決策模型，擁有任務(wù)分解、效用考核、角色分配、行為同步等多個(gè)層級(jí)的系統(tǒng)架構(gòu)，能夠很好的協(xié)調(diào)多個(gè)機(jī)器人協(xié)同完成復(fù)雜任務(wù)。
8. GAZEBO仿真系統(tǒng)——啟智MANI機(jī)器人的模型文件具備完整的物理慣量和傳感器配置描述，可以在GAZEBO仿真環(huán)境里直接加載。附贈(zèng)的源碼資源中，包含多個(gè)物理仿真場(chǎng)景，可以脫離機(jī)器人實(shí)體，在純軟件環(huán)境中進(jìn)行算法模擬。
教學(xué)資源
啟智MANI機(jī)器人配備實(shí)驗(yàn)指導(dǎo)書(shū)，設(shè)計(jì)了22個(gè)課程實(shí)驗(yàn)，所有實(shí)驗(yàn)均進(jìn)行了詳細(xì)實(shí)驗(yàn)步驟圖文描述，方便用戶(hù)老師進(jìn)行課程編排。
實(shí)驗(yàn)一、初識(shí)ROS | 實(shí)驗(yàn)十二、彩色圖像中的二維碼識(shí)別 |
實(shí)驗(yàn)二、Node、Topic和Launch文件 | 實(shí)驗(yàn)十三、立體視覺(jué)的數(shù)據(jù)獲取 |
實(shí)驗(yàn)三、速度控制Node的編程實(shí)現(xiàn) | 實(shí)驗(yàn)十四、基于立體視覺(jué)的平面識(shí)別 |
實(shí)驗(yàn)四、激光雷達(dá)的數(shù)據(jù)獲取 | 實(shí)驗(yàn)十五、基于立體視覺(jué)的物體定位 |
實(shí)驗(yàn)五、ROS的SLAM建圖系統(tǒng) | 實(shí)驗(yàn)十六、機(jī)械臂關(guān)節(jié)控制的編程實(shí)現(xiàn) |
實(shí)驗(yàn)六、ROS的Navigation導(dǎo)航系統(tǒng) | 實(shí)驗(yàn)十七、機(jī)械臂MoveIt!運(yùn)動(dòng)規(guī)劃 |
實(shí)驗(yàn)七、導(dǎo)航控制Node的編程實(shí)現(xiàn) | 實(shí)驗(yàn)十八、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)正解 |
實(shí)驗(yàn)八、MapTools插件的使用 | 實(shí)驗(yàn)十九、機(jī)械臂的運(yùn)動(dòng)學(xué)逆解 |
實(shí)驗(yàn)九、彩色相機(jī)的數(shù)據(jù)獲取 | 實(shí)驗(yàn)二十、物品的識(shí)別和抓取 |
實(shí)驗(yàn)十、基于平面視覺(jué)的特征提取 | 實(shí)驗(yàn)二十一、基于任務(wù)腳本的多點(diǎn)巡航 |
實(shí)驗(yàn)十一、基于平面視覺(jué)的目標(biāo)跟蹤 | 實(shí)驗(yàn)二十二、移動(dòng)抓取機(jī)器人綜合實(shí)訓(xùn) |
產(chǎn)品附贈(zèng)所有實(shí)驗(yàn)的參考課件PPT，助力老師快速開(kāi)課。
產(chǎn)品附帶源碼開(kāi)放，支持進(jìn)一步的擴(kuò)展開(kāi)發(fā)。
綜合實(shí)訓(xùn)
隨著人民生活水平的不斷提高，綠色生態(tài)、健康環(huán)保的生活方式開(kāi)始逐漸被重視。尤其是垃圾分類(lèi)處理的政策實(shí)施，在減少城市垃圾產(chǎn)出，改善市容街道環(huán)境方面取得了巨大成效。
為了將“新基建”的理念貫徹到垃圾分類(lèi)處理的事業(yè)中，進(jìn)一步提高垃圾分類(lèi)的質(zhì)量和效率，我們專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)了垃圾分揀機(jī)器人這么一個(gè)綜合實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目。用人工智能、環(huán)境建模、定位導(dǎo)航等技術(shù)手段進(jìn)一步提高垃圾分類(lèi)過(guò)程的自動(dòng)化水平，真正達(dá)到環(huán)保高效并且能夠大范圍復(fù)制推廣的目的，為我國(guó)人民的生活質(zhì)量改善貢獻(xiàn)一份努力。該實(shí)訓(xùn)項(xiàng)目要求機(jī)器人運(yùn)行在一個(gè)模擬公共場(chǎng)所的場(chǎng)景中，自動(dòng)進(jìn)行導(dǎo)航。在不觸碰損壞公共設(shè)施的前提下，搜集場(chǎng)景中的垃圾物品，并將其投入對(duì)應(yīng)顏色的分類(lèi)垃圾箱內(nèi)。
實(shí)訓(xùn)場(chǎng)景示意圖
啟智MANI機(jī)器人搜集環(huán)境中的垃圾物品
啟智MANI機(jī)器人將垃圾物品投入相應(yīng)分類(lèi)的垃圾箱
在綜合實(shí)訓(xùn)中，充分運(yùn)用了啟智MANI機(jī)器人的建圖導(dǎo)航和視覺(jué)抓取等多種技能。很好的將機(jī)器人課程中的分散的獨(dú)立知識(shí)點(diǎn)進(jìn)行了融合貫通，讓學(xué)生真正做到學(xué)以致用，學(xué)之能用，的投入到機(jī)器人各項(xiàng)技術(shù)的學(xué)習(xí)實(shí)踐中來(lái)，為將來(lái)在人工智能行業(yè)的就業(yè)和學(xué)術(shù)研究奠定一個(gè)堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。
