Diseño y control de un sistema robótico de patas reconfigurables modulares de alta dinámica

Resumen

Aquí, presentamos un protocolo para permitir a los principiantes replicar un sistema robótico bípedo altamente dinámico y un robot cuadrúpedo modular compuesto por bípedos como las unidades más pequeñas.

Resumen

Los robots con patas poseen una adaptabilidad excepcional al terreno, lo que los convierte en una plataforma ideal para la exploración al aire libre y el transporte de carga a través de terrenos complejos. El número y la configuración de las patas juegan un papel crucial en su rendimiento; Sin embargo, la mayoría de los diseños actuales son monolíticos, es decir, carecen de la flexibilidad necesaria para la reconfiguración. El protocolo presentado en este documento detalla el diseño y la fabricación de un sistema de robot de patas modulares con capacidades robustas para caminar y una reconfiguración flexible entre configuraciones bípedas y cuadrúpedas. En primer lugar, se ensamblan mecánicamente varios módulos funcionales para completar la construcción de la plataforma bípeda y el montaje del dispositivo de conexión modular. Posteriormente, utilizando software de depuración, configuramos la unidad de medición inercial y los motores, incluida la identidad (ID) de la red de área del controlador (CAN), la velocidad en baudios y otros parámetros de trabajo para garantizar que estén en el estado de funcionamiento correcto. Luego, diseñamos una estrategia de control de cuerpo entero y un marco de control distribuido para garantizar la marcha estable de la unidad bípeda y el movimiento coordinado de la estructura ensamblada, respectivamente. Finalmente, validamos la efectividad del sistema en configuraciones bípedas y cuadrúpedas, lo que permitió que el robot lograra una caminata estable al aire libre.

Introducción

Los robots con patas, que utilizan un mecanismo de soporte discreto, exhiben una adaptabilidad y agilidad superiores al terreno ^1,2. En los últimos años, los robots con patas han sido desplegados en escenarios como operaciones de rescate y búsqueda, logrando resultados favorables ^3,4,5. Los robots con patas de varias configuraciones ofrecen claras ventajas para diferentes tareas. Los robots bípedos, con su diseño simple, pueden navegar por espacios estrechos pero tienen una capacidad de carga limitada. Los robots cuadrúpedos son más complejos, pero pueden transportar cargas más pesadas y moverse más rápido. Los robots con seis o más patas proporcionan una mayor estabilidad, pero son más difíciles de mantener. Sin embargo, los robots de patas existentes generalmente emplean un diseño integrado caracterizado por una configuración singular que carece de la flexibilidad para adaptarse o cambiar entre diferentes configuraciones ^6,7,8. Este enfoque de diseño da como resultado una alta incidencia de fallas y presenta importantes desafíos de mantenimiento, ya que los puntos únicos de falla pueden provocar el colapso del sistema. Por el contrario, los robots diseñados con el concepto de ensamblaje modular pueden reconfigurarse fácilmente para cumplir con los diferentes requisitos de la tarea ^9,10. Cuando se enfrentan a terrenos accidentados, pueden mejorar su transitabilidad aumentando el número de patas o módulos¹¹.

En la actualidad, la investigación sobre robots de patas modulares aún se encuentra en fase exploratoria, centrándose principalmente en plataformas pequeñas o de patas en miniatura, que se desplazan principalmente arrastrándose o deslizándose 11,12,13,14,15. Algunos submódulos de ensamblaje incluso carecen de capacidades de movimiento independientes y solo pueden lograr movilidad cuando se combinan^16,17. Esto hace que sean difíciles de desplegar en escenarios prácticos para tareas como el transporte y el reconocimiento. Para abordar estos desafíos, este artículo propone un sistema robótico de patas modulares con capacidades de movilidad flexibles. A diferencia de los métodos anteriores, las patas de los submódulos de ensamblaje en este documento están inspiradas en la configuración de las patas de los mamíferos, lo que proporciona capacidades de funcionamiento rápido. Seleccionamos el robot bípedo como el módulo de empalme más pequeño debido a su estructura simple, capacidad de caminar estable y un estilo de caminar más humano^18,19.

Además, algunos de los robots de patas modulares mencionados anteriormente utilizan pestillos o sujetadores para conectar los módulos¹², lo que debilita sus capacidades de conexión y desconexión rápidas. Para simplificar el proceso de conexión y evitar el uso de clips y sujetadores, empleamos un mecanismo de fijación electromagnética entre módulos, con activación/desactivación controlable y flexible de la fuerza magnética. Para aprovechar al máximo las ventajas del robot de patas modulares, empleamos un enfoque de control distribuido para gestionar la locomoción del robot que se analiza en este documento. La efectividad del sistema construido y del método de control ha sido validada a través de prototipos de experimentos. El sistema propuesto puede ayudar a abordar las necesidades de transporte de material a gran escala en terrenos no estructurados o de reconocimiento rápido en entornos desconocidos.

El objetivo de este protocolo es presentar de manera exhaustiva el proceso de diseño y fabricación del sistema descrito en este documento, permitiendo a las partes interesadas replicar o crear robots con funcionalidad similar para satisfacer sus necesidades. El módulo bípedo de este artículo se basa en nuestro trabajo previo. Hemos instalado un mecanismo de acoplamiento en él y hemos realizado el ajuste fino de los parámetros²⁰.

Protocolo

1. Construcción de la máquina

1. Ensamble el varillaje, la carcasa y la pantorrilla con tornillos y sujetadores, y luego conecte el varillaje ensamblado al pasador de llave del eje de salida del motor con sujetadores (Figura 1).
   NOTA: La pata, que comprende el varillaje, el motor, los cojinetes, etc., es el componente principal del robot responsable de su movimiento.
2. Inicialice los motores utilizando el software proporcionado por el fabricante del motor. Esto incluye la calibración de sensores Hall y codificadores.
3. Fije las dos patas ensambladas con placas de fibra de carbono y conectores apropiados para crear una estructura bípeda, como se ilustra (Figura 2).
4. Fije el tubo de fibra de carbono a ambos lados del dispositivo de acoplamiento con tornillos y asegure el electroimán en su ranura central (consulte la Figura 3).

2. Construcción de la caja de control

1. Ensamble la placa de alimentación según el esquema del circuito y el diagrama físico que se muestra en la Figura 4.
2. Coloque y asegure el módulo de administración de energía, la unidad de medición inercial (IMU), la unidad de microcontrolador (MCU) y otros componentes en sus ubicaciones designadas como se ilustra (Figura 5).
3. Conecte el puerto de bus serie universal (USB) de la MCU a la IMU mediante el conector JT30-USB.
4. Conecte el puerto Ethernet de la MCU al enrutador mediante un cable Ethernet.
5. Utilice el cableado para conectar el interruptor del motor, el interruptor de MCU y el interruptor principal a sus interfaces correspondientes en el módulo de administración de energía.
6. Conecte las interfaces CAN1 y CAN2 de la placa de interfaz periférica serial (SPI) a las interfaces CAN1 y CAN2 del módulo de administración de energía, respectivamente.
7. Conecte todos los motores a las interfaces de alimentación y CAN en el módulo de administración de energía a través de sus interfaces correspondientes.
   NOTA: Los motores de la pierna izquierda están conectados a las interfaces de alimentación y CAN del lado izquierdo en el módulo de administración de energía a través del conector del lado izquierdo en la caja de control; El lado derecho está conectado de manera similar.

3. Depuración de los motores

1. Abra el software de depuración del motor. Conecte la computadora al motor de depuración con un módulo USB-CAN.
2. Asigne el ID de CAN del motor. Establezca el valor de ab/ad en 1, hip en 2 y knee en 3.
3. Establezca la posición cero de la unión y la dirección positiva secuencialmente, como se muestra en la Figura 6.

4. Esquema de control

1. Establecer la relación de transmisión cinemática entre los enlaces del robot dada por
   
   NOTA: El eje z se alinea con el eje de la articulación i, mientras que el eje se alinea a lo largo de la perpendicular común entre los ejes de la articulación i e i + 1, dirigido desde la articulación i a i + 1. Si los ejes se intersecan, x_i es perpendicular al plano de intersección. A_i-1 es el ángulo de rotación alrededor de x_i-1 desde z_i-1 a z_i; A_i-1 es la distancia a lo largo de x_i-1 desde z_i-1 a z_i; θ_i es el ángulo de rotación alrededor de z_i desde x_i-1 hasta x_i; y di es la distancia a lo largo de z_i desde x_i-1 hasta x_i.
2. Establecer una ecuación dinámica de cuerpo completo dada por
   
   NOTA: J_c y f_c denotan la matriz jacobiana que mapea las fuerzas del pie al espacio de la articulación y la fuerza de contacto del pie, respectivamente. M(q) es la matriz de inercia, representa los términos centrífugo y de Coriolis, y g(q) es la fuerza gravitacional sobre el robot.
3. Establecer ecuaciones de control de equilibrio de cuerpo entero.
   NOTA: La ley de control para el módulo bípedo integra el control de modelo virtual (VMC) y el control de cuerpo entero (WBC). Para obtener ecuaciones de control detalladas, consulte un trabajo anterior²⁰.

5. Escribe el programa

1. Utilice ST-LINK para importar el archivo binario (BIN) del programa de comunicación entre la MCU y el motor en la placa SPI.
   NOTA: La placa SPI sirve como módulo de comunicación entre la MCU y los motores, con el STM32 como núcleo de control.
2. Transmita el programa de control de locomoción del robot compilado desde la PC a la MCU a través de un cable Ethernet.

6. Puesta en marcha del módulo de robot bípedo

1. Ajuste el robot a la postura inicial, como se ilustra (Figura 7A).
2. Inicie el archivo ejecutable compilado a partir del código de control en la MCU.
3. Envíe el comando de soporte al robot usando el control remoto (Figura 7B).
   NOTA: Los botones del control remoto se pueden configurar según sea necesario. Se recomienda utilizar el joystick para controlar la velocidad y que los botones cambien entre diferentes estados.
4. Active el modo de locomoción del robot a través del control remoto (Figura 7C).
5. Use el joystick del control remoto para maniobrar el robot hacia adelante, hacia atrás y dirigirlo.

7. Puesta en marcha del robot cuadrúpedo reconfigurado modularmente

1. Configure los routers de los dos módulos bípedos para que estén en el mismo segmento de red.
2. Establecer el marco de control distribuido basado en Comunicaciones Ligeras y Marshalling (LCM)²¹.
3. Instale los componentes del dispositivo de empalme ensamblados en la cabeza del robot bípedo.
4. Coloque los dos módulos bípedos en el estado inicial especificado y active la fuerza magnética del dispositivo de empalme.
5. Inicie los programas ejecutables de los dos módulos bípedos por separado.
6. Transmita el comando de pie al robot a través del control remoto.
7. Activa el modo de locomoción del robot a través del mando a distancia.
8. Utilice el joystick del mando a distancia para maniobrar el robot de empalme hacia adelante, hacia atrás y dirigirlo.

Resultados

Para validar la efectividad del sistema propuesto, realizamos pruebas de caminata al aire libre en múltiples terrenos. Inicialmente, se seleccionó un solo módulo bípedo como sujeto de prueba, y las pruebas de movimiento se llevaron a cabo tanto en césped artificial como en una pista sintética. Como se muestra en la Figura 8, el robot demostró una locomoción estable en ambos terrenos. Los datos de postura y par articular del robot durante la locomoción se muestran en la F...

Discusión

El robot modular con patas propuesto en este artículo ofrece una nueva perspectiva sobre el diseño de robots con patas, donde la reconfiguración y el movimiento coordinado se logran a través de la combinación de múltiples módulos de patas distribuidas. Este enfoque presentado en este artículo ha sido validado experimentalmente, confirmando su capacidad para la reconfiguración de la configuración y el movimiento coordinado. Las secciones 1, 2, 4 y 5 de este protocolo representan las etapa...

Materiales

Lista de materiales utilizados en este artículo

Nombre	Empresa	Número de catálogo	Comentarios
Batería	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Electroimán	Kaka Electric	H25
Componente electrónico	JLC https://yobotics.cn/		Incluyendo componentes de uso común como resistencias, condensadores, inductores, etc
IMU	LORD	3DM-GX5-45
Motor	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
Módulo de gestión de energía	JLC	P1
Mando a distancia	Ledi	https://yobotics.cn/
Router	linwlan	GX30
SPI	YOBOTICS	https://yobotics.cn/
de impresión 3D	de piezas estructurales	N/A	M1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4