Design und Steuerung eines hochdynamischen modularen, rekonfigurierbaren Beinrobotersystems

Zusammenfassung

Hier stellen wir ein Protokoll vor, das es Anfängern ermöglicht, ein hochdynamisches zweibeiniges Robotersystem und einen modularen vierbeinigen Roboter, bestehend aus Zweibeinern als kleinste Einheiten, nachzubilden.

Zusammenfassung

Roboter mit Beinen verfügen über eine außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit an das Gelände, was sie zu einer idealen Plattform für die Erkundung im Freien und den Transport von Fracht über komplexes Gelände macht. Die Anzahl und Konfiguration der Beine spielen eine entscheidende Rolle für ihre Leistung. Die meisten aktuellen Designs sind jedoch monolithisch und bieten nicht die Flexibilität für eine Neukonfiguration. Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll beschreibt das Design und die Herstellung eines modularen Beinrobotersystems mit robusten Gehfähigkeiten und flexibler Rekonfiguration zwischen zweibeinigen und vierbeinigen Konfigurationen. Zunächst werden verschiedene Funktionsmodule mechanisch zusammengefügt, um den Aufbau der zweibeinigen Plattform und die Montage der modularen Verbindungsvorrichtung zu vervollständigen. Anschließend konfigurierten wir mit Hilfe von Debugging-Software die Trägheitsmesseinheit und die Motoren, einschließlich der festgelegten CAN-Identität (ID), der Baudrate und anderer Arbeitsparameter, um sicherzustellen, dass sie sich im korrekten Betriebszustand befinden. Dann entwarfen wir eine Ganzkörpersteuerungsstrategie und ein verteiltes Steuerungsframework, um ein stabiles Gehen der zweibeinigen Einheit bzw. eine koordinierte Bewegung der montierten Struktur zu gewährleisten. Schließlich haben wir die Wirksamkeit des Systems sowohl bei zweibeinigen als auch bei vierbeinigen Konfigurationen validiert, sodass der Roboter stabil im Freien gehen kann.

Einleitung

Roboter mit Beinen, die einen diskreten Unterstützungsmechanismus verwenden, weisen eine überlegene Anpassungsfähigkeit und Agilität des Geländes auf ^1,2. In den letzten Jahren wurden Roboter mit Beinen in Szenarien wie Rettungs- und Suchaktionen eingesetzt, wobei positive Ergebnisse erzielt^{wurden 3,4,5}. Beinroboter in verschiedenen Konfigurationen bieten deutliche Vorteile für unterschiedliche Aufgaben. Zweibeinige Roboter können mit ihrem einfachen Design durch enge Räume navigieren, haben aber eine begrenzte Tragfähigkeit. Vierbeinige Roboter sind komplexer, können aber schwerere Lasten tragen und sich schneller bewegen. Roboter mit sechs oder mehr Beinen bieten eine höhere Stabilität, sind aber schwieriger zu warten. Bestehende Roboter mit Beinen verwenden jedoch in der Regel ein integriertes Design, das durch eine singuläre Konfiguration gekennzeichnet ist, der die Flexibilität fehlt, sich anzupassen oder zwischen verschiedenen Konfigurationen zu wechseln ^6,7,8. Dieser Designansatz führt zu einer hohen Fehlerhäufigkeit und stellt eine erhebliche Herausforderung für die Wartung dar, da Single Points of Failure zum Systemzusammenbruch führen können. Im Gegensatz dazu können Roboter, die mit dem modularen Montagekonzept konstruiert wurden, leicht umkonfiguriert werden, um unterschiedlichen Aufgabenanforderungen gerecht zu werden ^9,10. In unwegsamem Gelände können sie ihre Durchfahrbarkeit verbessern, indem sie die Anzahl der Beine oder Module^{um 11} erhöhen.

Derzeit befindet sich die Forschung an modularen Beinrobotern noch in der Sondierungsphase und konzentriert sich hauptsächlich auf kleine oder miniaturbeinige Plattformen, die sich hauptsächlich kriechend oder gleitend bewegen 11,12,13,14,15. Einigen Baugruppen-Submodulen fehlen sogar unabhängige Bewegungsfähigkeiten und sie können nur in Kombination Mobilität erreichen^16,17. Dies macht es schwierig, sie in praktischen Szenarien für Aufgaben wie Transport und Aufklärung einzusetzen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird in diesem Beitrag ein modulares Robotersystem mit flexiblen Mobilitätsmöglichkeiten vorgeschlagen. Im Gegensatz zu früheren Methoden sind die Beine der Baugruppen-Submodule in diesem Artikel von der Beinkonfiguration von Säugetieren inspiriert und bieten schnelle Lauffähigkeiten. Wir wählen den zweibeinigen Roboter aufgrund seiner einfachen Struktur, seiner stabilen Gehfähigkeit und seines menschenähnlicheren Gehstils als kleinstes Spleißmodul^{aus 18,19}.

Darüber hinaus verwenden einige der oben erwähnten modularen Roboter mit Beinen Riegel oder Befestigungselemente, um die Module¹² zu verbinden, wodurch ihre schnellen Verbindungs- und Trennfähigkeiten geschwächt werden. Um den Verbindungsprozess zu vereinfachen und den Einsatz von Clips und Befestigungselementen zu vermeiden, verwenden wir einen elektromagnetischen Befestigungsmechanismus zwischen den Modulen mit steuerbarer und flexibler Aktivierung/Deaktivierung der Magnetkraft. Um die Vorteile des modularen Beinroboters voll auszuschöpfen, verwenden wir einen verteilten Steuerungsansatz, um die Fortbewegung des Roboters zu steuern, der in diesem Artikel diskutiert wird. Die Wirksamkeit des konstruierten Systems und der Regelungsmethode wurde durch prototypische Versuche validiert. Das vorgeschlagene System kann dazu beitragen, den Anforderungen des großflächigen Materialtransports in unstrukturiertem Gelände oder der schnellen Aufklärung in unbekannten Umgebungen gerecht zu werden.

Das Ziel dieses Protokolls ist es, den Entwurfs- und Herstellungsprozess des in diesem Artikel beschriebenen Systems gründlich darzustellen und es interessierten Parteien zu ermöglichen, Roboter mit ähnlicher Funktionalität zu replizieren oder zu erstellen, um ihren Anforderungen gerecht zu werden. Das zweibeinige Modul in dieser Arbeit basiert auf unseren früheren Arbeiten. Wir haben einen Docking-Mechanismus darauf installiert und eine Parameterfeinabstimmung²⁰ durchgeführt.

Protokoll

1. Aufbau der Maschine

1. Montieren Sie das Gestänge, das Gehäuse und die Kalbe mit Schrauben und Befestigungselementen und verbinden Sie dann das montierte Gestänge mit Befestigungselementen mit dem Passfederstift der Motorausgangswelle (Abbildung 1).
   HINWEIS: Das Bein, das aus dem Gestänge, dem Motor, den Lagern usw. besteht, ist die Hauptkomponente des Roboters, die für seine Bewegung verantwortlich ist.
2. Initialisieren Sie die Motoren mit der vom Motorhersteller bereitgestellten Software. Dazu gehört auch die Kalibrierung von Hall-Sensoren und Encodern.
3. Befestigen Sie die beiden zusammengebauten Beine mit Kohlefaserplatten und entsprechenden Verbindern, um eine zweibeinige Struktur zu erzeugen, wie dargestellt (Abbildung 2).
4. Befestigen Sie das Kohlefaserrohr mit Schrauben an beiden Seiten der Andockvorrichtung und befestigen Sie den Elektromagneten in seiner zentralen Nut (siehe Abbildung 3).

2. Bau der Steuerbox

1. Montieren Sie die Leistungsplatine basierend auf dem Schaltplan und dem physikalischen Diagramm, wie in Abbildung 4 gezeigt.
2. Positionieren und sichern Sie das Energieverwaltungsmodul, die Trägheitsmesseinheit (IMU), die Mikrocontroller-Einheit (MCU) und andere Komponenten an den vorgesehenen Stellen, wie in Abbildung 5 dargestellt.
3. Verbinden Sie den USB-Anschluss (Universal Serial Bus) der MCU über den JT30-USB-Anschluss mit der IMU.
4. Verbinden Sie den Ethernet-Port der MCU über ein Ethernet-Kabel mit dem Router.
5. Verwenden Sie die Verkabelung, um den Motorschalter, den MCU-Schalter und den Hauptschalter mit den entsprechenden Schnittstellen am Energieverwaltungsmodul zu verbinden.
6. Verbinden Sie die CAN1- und CAN2-Schnittstellen der SPI-Karte (Serial Peripheral Interface) mit den CAN1- bzw. CAN2-Schnittstellen des Power-Management-Moduls.
7. Verknüpfen Sie alle Motoren über die entsprechenden Schnittstellen mit den Power- und CAN-Schnittstellen am Power-Management-Modul.
   HINWEIS: Die Motoren des linken Beins sind über den linken Anschluss an der Steuerbox mit den Stromversorgungs- und CAN-Schnittstellen auf der linken Seite des Energieverwaltungsmoduls verbunden. Die rechte Seite ist auf ähnliche Weise verbunden.

3. Debuggen der Motoren

1. Öffnen Sie die Motor-Debugging-Software. Verbinden Sie den Computer mit einem USB-CAN-Modul mit dem Debug-Motor.
2. Weisen Sie die CAN-ID des Motors zu. Stellen Sie den Wert von ab/ad auf 1, hip auf 2 und knee auf 3 ein.
3. Stellen Sie die Nullposition und die positive Richtung des Gelenks nacheinander ein, wie in Abbildung 6 dargestellt.

4. Regelung

1. Stellen Sie die kinematische Übertragungsbeziehung zwischen den Verbindungen des Roboters her, wie sie durch
   
   HINWEIS: Die z-Achse wird an der Gelenkachse i ausgerichtet, während die Achse entlang der gemeinsamen Senkrechten zwischen den Gelenkachsen i und i + 1 ausgerichtet ist, die von Gelenk i nach i + 1 gerichtet ist. Wenn sich die Achsen schneiden, ist x_i senkrecht zur Schnittebene. a_i-1 ist der Drehwinkel um x_i-1 von z_i-1 nach z_i; Ein_I-1 ist der Abstand entlang x_i-1 von z_i-1 nach z_i; θ_i ist der Drehwinkel um z_i von x_i-1 nach x_i; und di ist der Abstand entlang z_i von x_i-1 nach x_i.
2. Stellen Sie die dynamische Ganzkörpergleichung auf, die gegeben ist durch
   
   HINWEIS: J_c und f_c bezeichnen die Jacobi-Matrix, die die Fußkräfte auf den Gelenkraum bzw. die Fußkontaktkraft abbildet. M(q) ist die Trägheitsmatrix, repräsentiert Zentrifugal- und Coriolisterme, und g(q) ist die Gravitationskraft auf den Roboter.
3. Stellen Sie Gleichungen zur Steuerung des Ganzkörpergleichgewichts auf.
   HINWEIS: Das Steuergesetz für das zweibeinige Modul integriert die virtuelle Modellsteuerung (VMC) und die Ganzkörpersteuerung (WBC). Für detaillierte Regelgleichungen siehe eine frühere Arbeit²⁰.

5. Schreiben Sie das Programm

1. Verwenden Sie ST-LINK, um die Binärdatei (BIN) des Kommunikationsprogramms zwischen der MCU und dem Motor auf die SPI-Karte zu importieren.
   HINWEIS: Die SPI-Platine dient als Kommunikationsmodul zwischen der MCU und den Motoren, wobei der STM32 als Steuerkern dient.
2. Übertragen Sie das kompilierte Programm zur Steuerung der Roboterbewegung vom PC auf die MCU über ein Ethernet-Kabel.

6. Starten des zweibeinigen Robotermoduls

1. Bringen Sie den Roboter in die Ausgangshaltung, wie dargestellt (Abbildung 7A).
2. Starten Sie die ausführbare Datei, die aus dem Steuercode auf der MCU kompiliert wurde.
3. Senden Sie den Standbefehl über die Fernbedienung an den Roboter (Abbildung 7B).
   HINWEIS: Die Tasten der Fernbedienung können nach Bedarf konfiguriert werden. Es wird empfohlen, den Joystick zur Steuerung der Geschwindigkeit zu verwenden und die Tasten zwischen verschiedenen Zuständen umzuschalten.
4. Aktivieren Sie den Fortbewegungsmodus des Roboters über die Fernbedienung (Abbildung 7C).
5. Verwenden Sie den Joystick der Fernbedienung, um den Roboter vorwärts, rückwärts und lenkend zu bewegen.

7. Starten des modular umgebauten Vierbeinroboters

1. Konfigurieren Sie die Router der beiden zweibeinigen Module so, dass sie sich im selben Netzwerksegment befinden.
2. Richten Sie das Framework für die verteilte Steuerung auf der Grundlage von Lightweight Communications and Marshalling (LCM)²¹ ein.
3. Installieren Sie die zusammengebauten Komponenten der Spleißvorrichtung auf dem Kopf des Biped-Roboters.
4. Positionieren Sie die beiden zweibeinigen Module wie angegeben im Ausgangszustand und aktivieren Sie die Magnetkraft der Spleißvorrichtung.
5. Starten Sie die ausführbaren Programme der beiden zweibeinigen Module getrennt.
6. Übermitteln Sie den Stehbefehl über die Fernbedienung an den Roboter.
7. Aktivieren Sie den Fortbewegungsmodus des Roboters über die Fernbedienung.
8. Verwenden Sie den Joystick der Fernbedienung, um den Spleißroboter vorwärts, rückwärts und lenkend zu bewegen.

Ergebnisse

Um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems zu validieren, führten wir Outdoor-Gehtests auf mehreren Terrains durch. Zunächst wurde ein einzelnes zweibeiniges Modul als Testobjekt ausgewählt, und es wurden Bewegungstests sowohl auf Kunstrasen als auch auf einer Kunststoffbahn durchgeführt. Wie in Abbildung 8 gezeigt, zeigte der Roboter auf beiden Geländen eine stabile Fortbewegung. Die Haltungs- und Gelenkdrehmomentdaten des Roboters während der Fortbewegung sind in A...

Diskussion

Der in diesem Beitrag vorgeschlagene modulare Beinroboter bietet eine neue Perspektive auf das Design von Beinrobotern, bei denen eine Neukonfiguration und koordinierte Bewegung durch die Kombination mehrerer verteilter Beinmodule erreicht wird. Dieser Ansatz, der in diesem Artikel vorgestellt wird, wurde experimentell validiert und bestätigt seine Fähigkeit zur Konfigurationsrekonfiguration und koordinierten Bewegung. Die Abschnitte 1, 2, 4 und 5 dieses Protokolls stellen die kritischen...

Materialien

Liste der in diesem Artikel verwendeten Materialien

Name	Unternehmen	Katalognummer	Kommentare
Batterie	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Elektromagnet	Kaka Electric	H25
Elektronische Komponente	JLC	https://yobotics.cn/	Einschließlich häufig verwendeter Komponenten wie Widerstände, Kondensatoren, Induktivitäten usw
IMU	LORD	3DM-GX5-45
Motor	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Power Management Module	JLC	P1
Fernbedienung	Ledi	https://yobotics.cn/
Router	linwlan	GX30
SPI	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Strukturteile	3D-Druckservice	N/A	M1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4