مقالة منهجية

تصميم والتحكم في نظام آلي ذو أرجل معياري عالي الديناميكية قابل لإعادة التكوين

DOI:

10.3791/68092

⸱

مايو 30, 2025

 ,  ,  , 
1School of Control Science and Engineering, Shandong University

في هذه المقالة

ملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

هنا ، نقدم بروتوكولا لتمكين المبتدئين من تكرار نظام آلي ذو قدمين ديناميكية للغاية وروبوت معياري رباعي الأرجل يتكون من قدمين كأصغر وحدات.

الملخص

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تمتلك الروبوتات ذات الأرجل قدرة استثنائية على التكيف مع التضاريس ، مما يجعلها منصة مثالية للاستكشاف في الهواء الطلق ونقل البضائع عبر التضاريس المعقدة. يلعب عدد الأرجل وتكوينها دورا مهما في أدائها. ومع ذلك ، فإن معظم التصاميم الحالية متجانسة ، وتفتقر إلى المرونة لإعادة التكوين. يوضح البروتوكول المقدم في هذه الورقة بالتفصيل تصميم وتصنيع نظام روبوت معياري ذو أرجل مع قدرات مشي قوية وإعادة تكوين مرنة بين التكوينات ذات قدمين ورباعي الأرجل. أولا ، يتم تجميع العديد من الوحدات الوظيفية ميكانيكيا لإكمال بناء المنصة ذات القدمين وتجميع جهاز التوصيل المعياري. بعد ذلك ، باستخدام برنامج تصحيح الأخطاء ، قمنا بتكوين وحدة القياس بالقصور الذاتي والمحركات ، بما في ذلك هوية شبكة منطقة التحكم (CAN) المحددة (ID) ، ومعدل الباود ، ومعلمات العمل الأخرى للتأكد من أنها في حالة العمل الصحيحة. بعد ذلك ، قمنا بتصميم استراتيجية تحكم لكامل الجسم وإطار تحكم موزع لضمان المشي المستقر للوحدة ذات القدمين والحركة المنسقة للهيكل المجمع ، على التوالي. أخيرا ، تحققنا من فعالية النظام على كل من التكوينات ذات قدمين ورباعية الأرجل ، مما مكن الروبوت من تحقيق مشي مستقر في الهواء الطلق.

المقدمة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

تظهر الروبوتات ذات الأرجل ، التي تستخدم آلية دعم منفصلة ، قدرة فائقة على التكيف مع التضاريس وخفة الحركة1،2. في السنوات الأخيرة ، تم نشر الروبوتات ذات الأرجل في سيناريوهات مثل عمليات الإنقاذ والبحث ، مما حقق نتائج إيجابية3،4،5. توفر الروبوتات ذات الأرجل ذات التكوينات المختلفة مزايا مميزة لمهام مختلفة. يمكن للروبوتات ذات القدمين ، بتصميمها البسيط ، التنقل في المساحات الضيقة ولكن سعة التحميل المحدودة. تعتبر الروبوتات رباعية الأرجل أكثر تعقيدا ولكن يمكنها حمل أحمال أثقل وتتحرك بشكل أسرع. توفر الروبوتات ذات الستة أرجل أو أكثر مزيدا من الثبات ولكن يصعب صيانتها. ومع ذلك ، تستخدم الروبوتات ذات الأرجل الحالية عموما تصميما متكاملا يتميز بتكوين فردي يفتقر إلى المرونة للتكيف أو التبديل بين التكوينات المختلفة6،7،8. ينتج عن نهج التصميم هذا ارتفاع معدل حدوث الأعطال ويمثل تحديات صيانة كبيرة ، حيث قد تؤدي نقاط الفشل الفردية إلى انهيار النظام. في المقابل ، يمكن للروبوتات المصممة بمفهوم التجميع المعياري إعادة التكوين بسهولة لتلبية متطلبات المهام المختلفة9،10. عند مواجهة التضاريس الوعرة ، يمكنهم تعزيز قابليتها للعبور عن طريق زيادة عدد الأرجل أو الوحدات11.

حاليا ، لا يزال البحث عن الروبوتات ذات الأرجل المعيارية في المرحلة الاستكشافية ، مع التركيز بشكل أساسي على المنصات الصغيرة أو المصغرة ذات الأرجل ، والتي تتحرك بشكل أساسي عن طريق الزحف أو الانزلاق11،12،13،14،15. حتى أن بعض وحدات التجميع الفرعية تفتقر إلى قدرات الحركة المستقلة ولا يمكنها تحقيق التنقل إلا عند دمجها16,17. هذا يجعل من الصعب نشرها في سيناريوهات عملية لمهام مثل النقل والاستطلاع. لمواجهة هذه التحديات ، تقترح هذه الورقة نظاما آليا معياريا ذو أرجل معيارية مع قدرات تنقل مرنة. بخلاف الطرق السابقة ، فإن أرجل الوحدات الفرعية للتجميع في هذه الورقة مستوحاة من تكوين أرجل الثدييات ، مما يوفر قدرات تشغيل سريعة. نختار الروبوت ذو القدمين كأصغر وحدة ربط نظرا لهيكله البسيط ، وقدرته على المشي المستقر ، وأسلوب المشي الأكثر شبها بالإنسان18،19.

بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم بعض الروبوتات ذات الأرجل المعيارية المذكورة أعلاه مزالج أو مثبتات لتوصيل الوحدات12 ، مما يضعف قدرات الاتصال والفصل السريع. لتبسيط عملية الاتصال وتجنب استخدام المشابك والسحابات ، نستخدم آلية ربط كهرومغناطيسية بين الوحدات ، مع تنشيط / إلغاء تنشيط يمكن التحكم فيه ومرنه للقوة المغناطيسية. للاستفادة الكاملة من مزايا الروبوت المعياري ذو الأرجل ، نستخدم نهج التحكم الموزع لإدارة حركة الروبوت الذي تمت مناقشته في هذه الورقة. تم التحقق من فعالية النظام الذي تم إنشاؤه وطريقة التحكم من خلال تجارب النموذج الأولي. ويمكن أن يساعد النظام المقترح في تلبية احتياجات نقل المواد على نطاق واسع في التضاريس غير المهيكلة أو الاستطلاع السريع في بيئات غير معروفة.

الهدف من هذا البروتوكول هو تقديم عملية تصميم وتصنيع النظام الموصوف في هذه الورقة بدقة ، مما يمكن الأطراف المهتمة من تكرار أو إنشاء روبوتات ذات وظائف مماثلة لتلبية احتياجاتهم. تستند الوحدة ذات قدمين في هذه الورقة إلى عملنا السابق. لقد قمنا بتثبيت آلية إرساء عليها وقمنا بضبط المعلمةبدقة 20.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

البروتوكول

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

1. بناء الجهاز

  1. قم بتجميع الوصلة والمبيت والساق باستخدام البراغي والسحابات ، ثم قم بتوصيل الوصلة المجمعة بدبوس مفتاح عمود إخراج المحرك باستخدام السحابات (الشكل 1).
    ملاحظة: الساق ، التي تتكون من الوصلة ، والمحرك ، والمحامل ، وما إلى ذلك ، هي المكون الأساسي للروبوت المسؤول عن حركته.
  2. قم بتهيئة المحركات باستخدام البرنامج المقدم من الشركة المصنعة للمحرك. يتضمن ذلك معايرة مستشعرات Hall وأجهزة التشفير.
  3. اربط الساقين المجمعين بألواح من ألياف الكربون والموصلات المناسبة لإنشاء هيكل ذو قدمين ، كما هو موضح (الشكل 2).
  4. قم بتثبيت أنبوب ألياف الكربون على جانبي جهاز الإرساء بمسامير وقم بتأمين المغناطيس الكهربائي في أخدوده المركزي (انظر الشكل 3).

2. بناء صندوق التحكم

  1. قم بتجميع لوحة الطاقة بناء على الرسم التخطيطي والمادي للدائرة الموضح في الشكل 4.
  2. ضع وحدة إدارة الطاقة ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) ووحدة التحكم الدقيقة (MCU) والمكونات الأخرى وقم بتأمينها في مواقعها المخصصة كما هو موضح (الشكل 5).
  3. قم بتوصيل منفذ الناقل التسلسلي العالمي (USB) الخاص بوحدة التحكم في الدقيقة (MCU) بوحدة التحكم في الحركة الدولية باستخدام موصل JT30-USB.
  4. قم بتوصيل منفذ Ethernet الخاص ب MCU بالموجه باستخدام كبل Ethernet.
  5. استخدم الأسلاك لتوصيل مفتاح المحرك ومفتاح MCU والمفتاح الرئيسي بالواجهات المقابلة لها في وحدة إدارة الطاقة.
  6. قم بتوصيل واجهات CAN1 وCAN2 للوحة الواجهة الطرفية التسلسلية (SPI) بواجهات CAN1 وCAN2 لوحدة إدارة الطاقة، على التوالي.
  7. اربط جميع المحركات بواجهات الطاقة و CAN على وحدة إدارة الطاقة عبر الواجهات المقابلة لها.
    ملاحظة: ترتبط محركات الساق اليسرى بواجهات الطاقة والعلبة على الجانب الأيسر على وحدة إدارة الطاقة عبر الموصل الأيسر في صندوق التحكم ؛ الجانب الأيمن متصل بالمثل.

3. تصحيح أخطاء المحركات

  1. افتح برنامج تصحيح أخطاء المحرك. قم بتوصيل الكمبيوتر بمحرك تصحيح الأخطاء باستخدام وحدة USB-CAN.
  2. قم بتعيين معرف CAN للمحرك. اضبط قيمة ab / ad على 1 ، والورك على 2 ، والركبة على 3.
  3. اضبط موضع المفصل الصفري والاتجاه الموجب بالتتابع ، كما هو موضح في الشكل 6.

4. مخطط التحكم

  1. إنشاء علاقة النقل الحركية بين روابط الروبوت كما هو موضح في
    figure-protocol-1
    ملاحظة: يتماشى المحور z مع محور المفصل i بينما يتماشى المحور على طول العمودي المشترك بين محوري المفصل i و i + 1 ، موجه من المفصل i إلى i + 1. إذا تقاطعت المحاور ، فإن xi عموديا على مستوى التقاطع. أI-1 هي زاوية الدوران حول xi-1 من zi-1 إلى zi ؛ أI-1 هي المسافة على طول xi-1 من zi-1 إلى zi ؛ θi هي زاوية الدوران حوالي zi من xi-1 إلى xi ؛ و di هي المسافة على طول zi من xi-1 إلى xi.
  2. إنشاء معادلة ديناميكية لكامل الجسم مقدمة من
    figure-protocol-2
    ملاحظة: يشير Jc و fc إلى المصفوفة اليعقوبية التي ترسم خرائط لقوى القدم إلى الفضاء المشترك وقوة التلامس بالقدم ، على التوالي. M (q) هي مصفوفة القصور الذاتي ، figure-protocol-3 وتمثل مصطلحات الطرد المركزي وكوريوليس ، و g (q) هي قوة الجاذبية على الروبوت.
  3. إنشاء معادلات التحكم في توازن الجسم بالكامل.
    ملاحظة: يدمج قانون التحكم في الوحدة النمطية ذات قدمين التحكم في النموذج الافتراضي (VMC) والتحكم في الجسم بالكامل (WBC). للحصول على معادلات تحكم مفصلة ، راجع عمل سابق20.

5. اكتب البرنامج

  1. استخدم ST-LINK لاستيراد الملف الثنائي (BIN) لبرنامج الاتصال بين MCU والمحرك إلى لوحة SPI.
    ملاحظة: تعمل لوحة SPI كوحدة اتصال بين MCU والمحركات ، مع STM32 كنواة تحكم.
  2. انقل برنامج التحكم في حركة الروبوت المترجم من الكمبيوتر إلى MCU عبر كابل Ethernet.

6. بدء تشغيل وحدة الروبوت ذات القدمين

  1. اضبط الروبوت على الوضع الأولي ، كما هو موضح (الشكل 7 أ).
  2. قم بتشغيل الملف القابل للتنفيذ الذي تم تجميعه من التعليمات البرمجية للتحكم على MCU.
  3. أرسل أمر الحامل إلى الروبوت باستخدام جهاز التحكم عن بعد (الشكل 7 ب).
    ملاحظة: يمكن تكوين أزرار جهاز التحكم عن بعد حسب الحاجة. يوصى باستخدام عصا التحكم للتحكم في السرعة وتبديل الأزرار بين الحالات المختلفة.
  4. قم بتنشيط وضع حركة الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد (الشكل 7C).
  5. استخدم عصا التحكم في جهاز التحكم عن بعد لمناورة الروبوت للأمام والخلف والتوجيه.

7. بدء الروبوت رباعي الأرجل المعياري المعاد تشكيله

  1. قم بتكوين الموجهات الخاصة بالوحدتين الوحدتين لتكون على نفس مقطع الشبكة.
  2. إنشاء إطار عمل التحكم الموزع على أساس الاتصالات الخفيفة والتنظيم (LCM)21.
  3. قم بتثبيت مكونات جهاز الربط المجمعة على رأس الروبوت ذو القدمين.
  4. ضع الوحدتين على قدمين في الحالة الأولية كما هو محدد وقم بتنشيط القوة المغناطيسية لجهاز الربط.
  5. قم بتشغيل البرامج القابلة للتنفيذ للوحدتين على قدمين بشكل منفصل.
  6. انقل الأمر الدائم إلى الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد.
  7. قم بتنشيط وضع حركة الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد.
  8. استخدم عصا التحكم في جهاز التحكم عن بعد لمناورة روبوت الربط للأمام والخلف والتوجيه.

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

النتائج

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

للتحقق من فعالية النظام المقترح ، أجرينا اختبارات المشي في الهواء الطلق على تضاريس متعددة. في البداية ، تم اختيار وحدة واحدة ذات قدمين كموضوع اختبار ، وتم إجراء اختبارات الحركة على كل من العشب الصناعي والمسار الاصطناعي. كما هو موضح في الشكل 8 ، أظهر الروبوت حركة مستقرة على كلا التضاريس. يتم عرض بيانات الموقف وعزم الدوران المشترك للروبوت أثناء الحركة في الشكل 9. تظل سعة تقلبات زاوية الدوران والميل للروبوت في حدود 0.04 راد (المرجع هو 0) ، مما يشير إلى قدرته اللائق...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المناقشة

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يقدم الروبوت المعياري ذو الأرجل المقترحة في هذه الورقة منظورا جديدا لتصميم الروبوت ذو الأرجل ، حيث يتم إعادة التكوين والحركة المنسقة من خلال الجمع بين وحدات أرجل موزعة متعددة. تم التحقق من صحة هذا النهج المقدم في هذه الورقة تجريبيا ، مما يؤكد قدرته على إعادة تشكيل التكوين والحركة المنسقة. تمثل الأقسام 1 و 2 و 4 و 5 في هذا البروتوكول المراحل الحرجة في تنفيذ هذا التصميم ، والتي تغطي تطوير كل من الهيكل الميكانيكي للروبوت ونظام التحكم الكهربائي.

هناك طلب متزايد عل...

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

الإفصاحات

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

شكر وتقدير

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,

يود أصحاب البلاغ الإعراب عن امتنانهم للسيد شيانو تسنغ لمساعدته في إجراء التجارب الواردة في هذه الورقة. تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (62373223) ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة شاندونغ (ZR2024ZD06).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

المواد

قائمة المواد المستخدمة في هذه المقالة
الاسمالشركةرقم فهرسيالتعليقات
البطاريةYOBOTICShttps://yobotics.cn/
المغناطيس الكهربائيKaka ElectricH25
المكون الإلكترونيJLChttps://yobotics.cn/بما في ذلك المكونات شائعة الاستخدام مثل المقاومات والمكثفات والمحاثات وما إلى ذلك
IMULORD3DM-GX5-45 & nbsp ؛
المحركYOBOTICShttps://yobotics.cn/
وحدة إدارة الطاقةJLCP1
جهاز التحكم عن بعدLedihttps://yobotics.cn/
جهاز التوجيهlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
الأجزاء الهيكليةخدمة الطباعة ثلاثية الأبعادN / AM1-1 ، M1-2 ، M1-3 ، M1-4 ، M1-5 ، M1-6 ، U1 ، U2 ، LX1 ، LX2 ، LX3 ، LX4

المراجع

$$\rightleftharpoonup{xx}$$ $$\longleftharp{xx}$$, $$\longrightharp{xx}$$,
  1. Anymal-a highly mobile and dynamic quadrupedal robot. Hutter, M., et al. 2016 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Daejeon, Korea (South), , (2016).
  2. Mit cheetah 3: Design and control of a robust, dynamic quadruped robot. Bledt, G., et al. 2018 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Madrid, Spain, , (1109).
  3. Jung, T., et al. Development of the humanoid disaster response platform DRC-HUBO+. IEEE Trans Robot. 34 (1), 1-17 (2018).
  4. Kaneko, K., et al. Humanoid robot HRP-5P: An electrically actuated humanoid robot with high-power and wide-range joints. IEEE Robot Autom Lett. 4 (2), 1431-1438 (2019).
  5. Bernreiter, L., et al. A framework for collaborative multi-robot mapping using spectral graph wavelets. Int J Rob Res. 43 (13), 2070-2088 (2024).
  6. Atlas, the next generation. , BostonDynamics. At https://bostondynamics.com/atlas/ (2016).
  7. Hubicki, C., et al. Atrias: Design and validation of a tether-free 3D-capable spring-mass bipedal robot. Int J Rob Res. 35 (12), 1497-1521 (2016).
  8. Huang, Q., et al. Historical Development of BHR Humanoid Robots. Explorations in the History and Heritage of Machines and Mechanisms. History of Mechanism and Machine Science. , Springer. Cham. (2019).
  9. Wang, J., Hu, C., Zhu, Y. J. I. R., Letters, A. CPG-based hierarchical locomotion control for modular quadrupedal robots using deep reinforcement learning. IEEE Robot Autom Lett. 6 (4), 7193-7200 (2021).
  10. Daudelin, J., et al. An integrated system for perception-driven autonomy with modular robots. Sci Robot. 3 (23), eaat4983(2018).
  11. Chong, B., et al. Multilegged matter transport: A framework for locomotion on noisy landscapes. Science. 380 (6644), 509-515 (2023).
  12. Mahkam, N., Bakir, A., Özcan, O. Miniature modular legged robot with compliant backbones. IEEE Robot Autom Lett. 5 (3), 3923-3930 (2020).
  13. Development of three-legged modular robots and demonstration of collaborative task execution. Ohira, M., Chatterjee, R., Kamegawa, T., Matsuno, F. Proceedings 2007 IEEE International Conference on Robotics and Automation, Rome, Italy, , 3895-3900 (2007).
  14. Yang, Z., et al. A unit-compressible modular robotic system and its self-configuration strategy using meta-module. Robot Comput-Integr Manuf. 49, 39-53 (2018).
  15. Ozkan-Aydin, Y., Goldman, D. I. Self-reconfigurable multilegged robot swarms collectively accomplish challenging terradynamic tasks. Sci Robot. 6 (56), eabf1628(2021).
  16. Snapbot: A reconfigurable legged robot. Kim, J., Alspach, A., Yamane, K. 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Vancouver, BC, Canada, , (1109).
  17. Snapbot v2: A reconfigurable legged robot with a camera for self configuration recognition. Gim, K. G., Kim, J. 2020 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Las Vegas, NV, USA, , (1109).
  18. Force-and-moment-based model predictive control for achieving highly dynamic locomotion on bipedal robots. Li, J., Nguyen, Q. 2021 60th IEEE Conference on Decision and Control (CDC), Austin, TX, USA, , (1109).
  19. Feedback control of a cassie bipedal robot: Walking, standing, and riding a segway. Gong, Y., et al. 2019 American Control Conference (ACC), Philadelphia, PA, USA, , (2019).
  20. Zhu, Z., et al. Design and control of braver: A bipedal robot actuated via proprioceptive electric motors. Auton Robots. 47 (8), 1229-1243 (2023).
  21. Lcm: Lightweight communications and marshalling. Huang, A. S., Olson, E., Moore, D. C. 2010 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems, Taipei, Taiwan, , (2010).
  22. Development of experimental legged robot for inspection and disaster response in plants. Yoshiike, T., et al. 2017 IEEE/RSJ International Conference on Intelligent Robots and Systems (IROS), Vancouver, BC, Canada, , (1109).
  23. Toward industrialization of humanoid robots: Autonomous plasterboard installation to improve safety and efficiency. IEEE Robot Autom Mag. Kumagai, I., et al. 26 (4), 20-29 (2019).

الوصول مقيد. يرجى تسجيل الدخول أو بدء فترة تجريبية لعرض هذا المحتوى.

إعادة الطباعة والأذونات

طلب إذن لإعادة استخدام النص أو الأشكال في مقالة JoVE هذه

طلب إذن

الوسوم

Legged RobotsModular RoboticsReconfigurable RobotBipedal PlatformQuadrupedal RobotWhole Body ControlDistributed ControlTerrain AdaptabilityRobot LocomotionController Area Network
الفيديو قريباً

مقالات ذات صلة