通过史蒂夫·梅耶，特约编辑r
到2014年，你的孩子们会向你求这个神奇的机器人吗?
有时候，设计师在机电一体化方面面临的主要挑战是把通常大而复杂的东西变成小而便宜的东西。这就是MIP机器人的情况。MIP代表移动倒立摆。这是移动平台问题的一个解决方案，有望从根本上改变我们对机器人是什么以及它们能做什么的观念。就像过去的无线电控制汽车或R/C飞机一样，高性能嵌入式控制器的加入正在改变移动平台的功能。
在机器人开发领域，加州大学圣地亚哥分校(UCSD)是一群杰出创新者的家园。Thomas Bewley教授已在加州大学圣迭戈分校机械与航空工程系任教15年。在2003年的期末考试中，Bewley教授要求学生们计算出一种新型的“机器人弹簧高跷”概念的动力学和控制。考试产生了一个完全没有预料到的副作用:课程结束后，几个学生找到Bewley教授，继续完善拟议的运动系统，UCSD协调机器人实验室诞生了。从那时起，该实验室一直在创造突破性的移动机器人解决方案。
在过去几年里，该实验室推出了许多平台，其中包括Switchblade和IFling。弹簧刀采用了经典的履带坦克概念，并在每个履带的一端增加了一个支点。这些额外的关节轴——以及相关的控制算法——创造了一个可以用自己的身体作为平衡的移动平台。这种组合使得该装置能够爬楼梯和穿越比其他脚踏式平台大得多的障碍物。
IFling是一个简单的两轮移动平台，利用一个聪明的3d打印身体形状，捡起并存储乒乓球，只需滚动它们，然后用回力风格的手臂扔它们。它轻巧灵活，几乎是按指令跳霹雳舞。想要看到它的实际效果，请访问工程交流中心，www.engineeringexchange.com寻找iFling。
IFling是一个双轮平台，它结合了陀螺仪、两轴加速度计和每个电机上的光学编码器的数据，以估计机器人在每个瞬间的方向。这使得机器人能够保持直立状态，投球，甚至通过障碍物。
通过对每一种平台的力学进行数学建模，并在高性能、低成本的ARM处理器中使用基于模型的反馈控制，机器人能够在执行复杂操作时移动和抵抗干扰。在MIP的情况下，稳定软件结合陀螺仪、两轴加速度计和每个电机上的光学编码器的读数来估计机器人在每个瞬间的方向。然后，一个运行在100赫兹的控制算法计算出发送给两个廉价的有刷直流电机所需的电压，它们通过一个50:1的小齿轮箱连接到车轮上。使用的价格低廉的ARM微控制器速度相当快，因此其他软件还有很大的空间，这些软件塑造了车辆的独特个性。
进入玩具制造商
几年前，在UCSD附近设有美国办公室的WowWee Toys的管理团队被UCSD的技术转移办公室引入了UCSD的协调机器人实验室。虽然实验室的概念验证平台很吸引人，但它们太昂贵了，不能作为一款畅销玩具的基础。
UCSD和WowWee意识到合作可能带来的潜力，开始探索低成本和可制造性设计的新平台。时机是幸运的，因为半导体行业不断提高性能和成本带来了一款新的ARM Cortex M0处理器，在大批量生产时价格不到1美元。像加速度计和陀螺仪这样的微机电系统(MEMS)传感器的成本过去非常昂贵，现在考虑到这些用于智能手机的传感器的大量生产，每个传感器的成本不到1美元。再加上玩具级的电机、变速箱和低能耗的蓝牙模块，高性能、复杂的汽车成为可能，而玩具行业所要求的低价格点。
MIP，移动倒立摆机器人，包含两个有刷直流电机，通过50:1的变速箱连接到它的轮子上。
米兰理工大学管理学院
MIP的高度约为Segway的10%，质量约为2%，价格约为2%，但动态性能类似。MIP作为一种交互式两轮移动平台，预计将以低于100美元的价格上市，其动态性能可媲美5700美元的Segway。就算他只是个小家伙，但考虑到技术的转变，让这样一个玩具可以比他更大更贵的表弟跑得更远。这样的发展在2002年赛格威第一次发布时是无法预见的，这表明出现了一系列新的平台，使这种新的成本/性能水平。
MIP与周围环境完全交互，可以通过手势或蓝牙链接到任何智能设备进行控制。MIP有个性功能，像R2D2一样有一个有限的“声音”，可以在iTunes上跳舞，还可以和人类一起玩游戏。鉴于其计算平台的能力，MIP的特性仍在发展。
作为将MIP推向市场的极端制造解决方案的一部分，WowWee/UCSD想出了如何将电机、变速箱和定制编码器安装在印刷电路板(PCB)的一边，传感器和处理器的另一边，最大限度地实现自动化组装，并优化机械复杂系统的成本。
MIP的首次公开展示将在达拉斯玩具展(2013年10月1-3日)，并计划在2014年上半年广泛提供。
机器人经济学
加州大学圣地亚哥分校将精力投入到MIP和相关设计的开发中，不仅仅是为了乐趣或利润。机器人领域的发展速度几乎与它所利用的先进智能手机技术一样快，人们敏锐地意识到，这些进步很快将带来革命性的新应用。如今的无人驾驶移动车辆体积相对较大，价格也比较昂贵，且一直局限于制造业、安全和国防领域的应用。在成本和功能发生转变的地方，在消防、医疗和个人服务方面的新应用将给我们的社会带来巨大的变化。
理解稳定
有两种方法来稳定MIP。使用连续回路闭合(见下图)，经典的(单输入，单输出)技术可以通过两个嵌套的控制回路来应用——内环调节身体角度问(t)比较快的是，外环调节车辆的水平位置x (t)相对缓慢。或者，状态空间(多输入多输出)技术可以直接应用，从而调节两种身体角度问(t)以及水平车辆的位置x (t)同时进行。
教育和MyMIP
对于Wowwee的员工来说，“这不仅仅是把技术带到玩具行业，而是把技术带给更广泛的受众。”今天的孩子在成长过程中，电脑、互联网和智能手机已经成为他们日常生活中不可分割的一部分。这一代人把技术作为他们观点的一个整体，他们把新的想法带入主流。在成长过程中，嵌入式控制器和动态控制系统将成为他们日常体验的一部分，这一代人将发明我们甚至还没有想象到的东西。认识到这一点，加州大学圣地亚哥分校协调机器人实验室正在围绕自制的MIPs开发一种新的本科生控制课程，称为MyMIPs。
MIP和许多随之而来的机器人玩具都是教育过程的直接结果。这些平台不仅仅是引人注目的玩具来激发想象力和创造力，它们还作为一个实用的平台来教授科学、数学、机械工程和嵌入式处理。考虑到教育遗产，UCSD和WowWee合作的产品在设计时特别考虑到“可hack性”是合适的:一个标准的3针UART连接到板载ARM微控制器正在这些玩具中内置。一个与ARM处理器通信的开放标准将被发布，允许像美国国家仪器公司的MyRIO板这样的新平台生成更高级别的功能。通过LabVIEW这样的高级图形语言，我们很容易想象出更复杂的应用程序，这样学生就可以探索复杂的行为，比如视觉识别或协作游戏，比如一场漂亮的机器人足球比赛。
基于这些平台的教学和研究将推动所有相关技术的发展，因为这些平台价格低廉，但具有高性能。其潜在的应用范围很广，包括控制理论、嵌入式处理、自适应通信网络、群集行为研究、非合作博弈，以及利用多车辆探索未知和潜在危险环境的协作同步定位和映射(SLAM)算法。
国家仪器
www.ni.com
WowWee
www.wowwee.com
UCSD协调机器人实验室
fccr.ucsd.edu
了下:机电整合的建议，编码器•光学
