מאמר שיטה

תכנון ובקרה של מערכת רובוטית מודולרית בעלת רגליים דינמית גבוהה הניתנת להגדרה מחדש

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 במאי 2025

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

במאמר זה

סיכום

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

כאן, אנו מציגים פרוטוקול המאפשר למתחילים לשכפל מערכת רובוטית דו-רגלית דינמית ביותר ורובוט מרובע מודולרי המורכב מדו-רגליים כיחידות הקטנות ביותר.

תקציר

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

לרובוטים בעלי רגליים יש יכולת הסתגלות יוצאת דופן לשטח, מה שהופך אותם לפלטפורמה אידיאלית לחקר חוצות והובלת מטענים על פני שטחים מורכבים. מספר ותצורת הרגליים ממלאים תפקיד מכריע בביצועיהם; עם זאת, רוב העיצובים הנוכחיים הם מונוליטיים, וחסרים את הגמישות להגדרת תצורה מחדש. הפרוטוקול המוצג במאמר זה מפרט את התכנון והייצור של מערכת רובוט רגליים מודולרית עם יכולות הליכה חזקות ותצורה מחדש גמישה בין תצורות דו-רגליות וארבע-רגליות. ראשית, מודולים פונקציונליים שונים מורכבים מכנית להשלמת בניית הפלטפורמה הדו-רגלית והרכבת מכשיר החיבור המודולרי. לאחר מכן, באמצעות תוכנת ניפוי באגים, הגדרנו את יחידת המדידה האינרציאלית והמנועים, כולל הגדרת זהות (ID) של רשת אזור בקר (CAN), קצב שידור ופרמטרי עבודה אחרים כדי להבטיח שהם במצב עבודה נכון. לאחר מכן, עיצבנו אסטרטגיית בקרה של כל הגוף ומסגרת בקרה מבוזרת כדי להבטיח הליכה יציבה של היחידה הדו-רגלית ותנועה מתואמת של המבנה המורכב, בהתאמה. לבסוף, אימתנו את יעילות המערכת הן בתצורות דו-רגליות והן בתצורות מרובעות, מה שמאפשר לרובוט להשיג הליכה יציבה בחוץ.

מבוא

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

רובוטים בעלי רגליים, המשתמשים במנגנון תמיכה נפרד, מציגים יכולת הסתגלות וזריזות שטח מעולים 1,2. בשנים האחרונות נפרסו רובוטים בעלי רגליים בתרחישים כמו פעולות חילוץ וחיפוש, והשיגו תוצאות חיוביות 3,4,5. רובוטים רגליים בתצורות שונות מציעים יתרונות מובהקים למשימות שונות. רובוטים דו-רגליים, עם העיצוב הפשוט שלהם, יכולים לנווט בחללים צרים אך בעלי יכולת עומס מוגבלת. רובוטים מרובעים הם מורכבים יותר אך יכולים לשאת עומסים כבדים יותר ולנוע מהר יותר. רובוטים עם שש רגליים או יותר מספקים יציבות רבה יותר אך קשה יותר לתחזק אותם. עם זאת, רובוטים בעלי רגליים קיימים משתמשים בדרך כלל בעיצוב משולב המאופיין בתצורה ייחודית שחסרה את הגמישות להסתגל או לעבור בין תצורות שונות 6,7,8. גישת תכנון זו מביאה לשכיחות גבוהה של תקלות ומציבה אתגרי תחזוקה משמעותיים, שכן נקודות כשל בודדות עלולות להוביל לקריסת המערכת. לעומת זאת, רובוטים שתוכננו עם תפיסת ההרכבה המודולרית יכולים בקלות להגדיר מחדש כדי לעמוד בדרישות משימה שונות 9,10. כאשר הם מתמודדים עם שטח טרשי, הם יכולים לשפר את יכולת המעבר שלהם על ידי הגדלת מספר הרגליים או המודולים11.

נכון לעכשיו, המחקר על רובוטים מודולריים עם רגליים עדיין נמצא בשלב הגישוש, ומתמקד בעיקר בפלטפורמות קטנות או מיניאטוריות, הנעות בעיקר על ידי זחילה או החלקה 11,12,13,14,15. חלק מתתי מודולי ההרכבה אפילו חסרים יכולות תנועה עצמאיות ויכולים להשיג ניידות רק בשילוב16,17. זה מקשה על פריסתם בתרחישים מעשיים למשימות כמו תחבורה וסיור. כדי להתמודד עם אתגרים אלה, מאמר זה מציע מערכת רובוטית בעלת רגליים מודולריות עם יכולות ניידות גמישות. להבדיל משיטות קודמות, הרגליים של תת-מודולי ההרכבה במאמר זה שואבות השראה מתצורת רגלי היונקים, ומספקות יכולות ריצה מהירות. אנו בוחרים ברובוט הדו-רגלי כמודול השחבור הקטן ביותר בשל המבנה הפשוט שלו, יכולת ההליכה היציבה וסגנון ההליכה הדומה יותר לאדם18,19.

בנוסף, חלק מהרובוטים המודולריים בעלי הרגליים שהוזכרו לעיל משתמשים בתפסים או מחברים כדי לחבר מודולים12, מה שמחליש את יכולות החיבור והניתוק המהיר שלהם. כדי לפשט את תהליך החיבור ולהימנע משימוש בקליפסים ומחברים, אנו משתמשים במנגנון חיבור אלקטרומגנטי בין מודולים, עם הפעלה/השבתה ניתנת לשליטה וגמישה של הכוח המגנטי. כדי למנף באופן מלא את היתרונות של הרובוט המודולרי בעל הרגליים, אנו משתמשים בגישת בקרה מבוזרת לניהול התנועה של הרובוט הנדון במאמר זה. יעילות המערכת הבנויה ושיטת הבקרה אומתו באמצעות ניסויי אב טיפוס. המערכת המוצעת עשויה לסייע במתן מענה לצרכים של הובלת חומרים בקנה מידה גדול בשטחים לא מובנים או סיור מהיר בסביבות לא ידועות.

מטרת פרוטוקול זה היא להציג ביסודיות את תהליך התכנון והייצור של המערכת המתוארת במאמר זה, ולאפשר לבעלי עניין לשכפל או ליצור רובוטים עם פונקציונליות דומה כדי לענות על צרכיהם. המודול הדו-רגלי במאמר זה מבוסס על עבודתנו הקודמת. התקנו עליו מנגנון עגינה וביצענו כוונון עדין של פרמטרים20.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

פרוטוקול

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

1. בניית המכונה

  1. הרכיבו את ההצמדה, המארז והשוק באמצעות ברגים ומחברים, ולאחר מכן חברו את ההצמדה המורכבת לפין המפתח של ציר יציאת המנוע באמצעות מחברים (איור 1).
    הערה: הרגל, הכוללת את ההצמדה, המנוע, המסבים וכו', היא המרכיב העיקרי של הרובוט האחראי על תנועתו.
  2. אתחל את המנועים באמצעות התוכנה המסופקת על ידי יצרן המנוע. זה כולל כיול של חיישני הול ומקודדים.
  3. הדק את שתי הרגליים המורכבות עם לוחות סיבי פחמן ומחברים מתאימים ליצירת מבנה דו-רגלי, כפי שמוצג (איור 2).
  4. קבע את צינור סיבי הפחמן לשני צידי התקן העגינה באמצעות ברגים ואבטח את האלקטרומגנט בחריץ המרכזי שלו (ראה איור 3).

2. בניית תיבת הבקרה

  1. הרכיבו את לוח החשמל על סמך התרשים הסכמטי והפיזי של המעגל המוצג באיור 4.
  2. מקם ואבטח את מודול ניהול ההספקת-כוח, יחידת המדידה האינרציאלית (IMU), יחידת המיקרו-בקר (MCU) ורכיבים אחרים במיקומים המיועדים להם כפי שמוצג (איור 5).
  3. חבר את יציאת האפיק הטורי האוניברסלי (USB) של ה-MCU ל-IMU באמצעות מחבר JT30-USB.
  4. קשר את יציאת ה-Ethernet של ה-MCU לנתב באמצעות כבל Ethernet.
  5. השתמש בחיווט כדי לחבר את מתג המנוע, מתג ה-MCU והמתג הראשי לממשקים המתאימים להם במודול ניהול החשמל.
  6. חבר את ממשקי CAN1 ו-CAN2 של לוח הממשק ההיקפי הטורי (SPI) לממשקי CAN1 ו-CAN2 של מודול ניהול ההספקת-כוח, בהתאמה.
  7. קשר את כל המנועים לממשקי הכוח וה-CAN במודול ניהול הספקת-הכוח באמצעות הממשקים המתאימים להם.
    הערה: מנועי הרגל השמאלית מקושרים לממשקי החשמל וה-CAN בצד שמאל במודול ניהול החשמל באמצעות המחבר השמאלי בתיבת הבקרה; הצד הימני מחובר באופן דומה.

3. איתור באגים במנועים

  1. פתח את תוכנת ניפוי הבאגים של המנוע. חבר את המחשב למנוע ניפוי הבאגים באמצעות מודול USB-CAN.
  2. הקצה את מזהה ה-CAN של המנוע. הגדר את הערך של ab/ad ל-1, ירך ל-2 והברך ל-3.
  3. הגדר את מיקום האפס של המפרק ואת הכיוון החיובי ברצף, כפי שמוצג באיור 6.

4. ערכת בקרה

  1. קבע את יחסי השידור הקינמטיים בין קישורי הרובוט כפי שניתן על ידי
    figure-protocol-1
    הערה: ציר z מתיישר עם ציר המפרק i ואילו הציר מתיישר לאורך הניצב המשותף בין צירי המפרק i ו- i + 1, המכוון ממפרק i ל- i + 1. אם הצירים מצטלבים, xi מאונך למישור החיתוך. A I-1 היא זווית הסיבוב בערך X I-1 מ-ZI-1 ל-ZI; a i-1 הוא המרחק לאורך xi-1 מ-zi-1 ל-z i; θi היא זווית הסיבוב סביב zi מ-xi-1 ל-x i; ו-di הוא המרחק לאורך zi מ-xi-1 ל-x i.
  2. קבע משוואה דינמית של גוף מלא הניתנת על ידי
    figure-protocol-2
    הערה: Jc ו-fc מציינים את המטריצה היעקוביאנית הממפה את כוחות כף הרגל למרחב המפרק ולכוח המגע של כף הרגל, בהתאמה. M(q) היא מטריצת האינרציה, figure-protocol-3 מייצגת מונחים צנטריפוגליים וקוריוליס, ו-g(q) הוא כוח הכבידה על הרובוט.
  3. קבע משוואות בקרת איזון של כל הגוף.
    הערה: חוק הבקרה עבור המודול הדו-רגלי משלב בקרת מודל וירטואלי (VMC) ובקרת גוף שלם (WBC). למשוואות בקרה מפורטות, עיין בעבודה קודמת20.

5. כתוב את התוכנית

  1. השתמש ב- ST-LINK כדי לייבא את הקובץ הבינארי (BIN) של תוכנית התקשורת בין המיקרו-בקר למנוע ללוח SPI.
    הערה: לוח SPI משמש כמודול התקשורת בין המיקרו-בקר למנועים, כאשר ה-STM32 הוא ליבת הבקרה.
  2. העבר את תוכנית בקרת התנועה של הרובוט מהמהודרת מהמחשב למיקרו-בקר באמצעות כבל Ethernet.

6. הפעלת מודול הרובוט הדו-רגלי

  1. הגדר את הרובוט לתנוחה ההתחלתית, כפי שמוצג (איור 7A).
  2. הפעל את קובץ ההפעלה שנערך מקוד הבקרה במיקרו-בקר.
  3. שלח את פקודת המעמד לרובוט באמצעות השלט הרחוק (איור 7B).
    הערה: ניתן להגדיר את לחצני השלט הרחוק לפי הצורך. מומלץ להשתמש בג'ויסטיק לשליטה במהירות והלחצנים עוברים בין מצבים שונים.
  4. הפעל את מצב התנועה של הרובוט באמצעות השלט הרחוק (איור 7C).
  5. השתמש בג'ויסטיק של השלט הרחוק כדי לתמרן את הרובוט קדימה, אחורה ולנווט.

7. הפעלת הרובוט המרובע המודולרי שהוגדר מחדש

  1. הגדר את הנתבים של שני המודולים הדו-רגליים כך שיהיו באותו מקטע רשת.
  2. הקמת מסגרת הבקרה המבוזרת המבוססת על תקשורת קלה וארגון (LCM)21.
  3. התקן את רכיבי התקן השחבור המורכבים על ראש הרובוט הדו-רגלי.
  4. מקם את שני המודולים הדו-רגליים במצב ההתחלתי כמפורט והפעל את הכוח המגנטי של מכשיר השחבור.
  5. הפעל את תוכניות ההפעלה של שני המודולים הדו-רגליים בנפרד.
  6. העבר את הפקודה הקבועה לרובוט באמצעות השלט הרחוק.
  7. הפעל את מצב התנועה של הרובוט באמצעות השלט הרחוק.
  8. השתמש בג'ויסטיק של השלט הרחוק כדי לתמרן את רובוט השחבור קדימה, אחורה ולנווט.

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

תוצאות

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

כדי לאמת את יעילות המערכת המוצעת, ערכנו מבחני הליכה בחוץ במספר שטחים. בתחילה, נבחר מודול דו-רגלי יחיד כנבדק, ומבחני תנועה נערכו הן על דשא מלאכותי והן על מסלול סינטטי. כפי שמוצג באיור 8, הרובוט הפגין תנועה יציבה בשני השטחים. נתוני היציבה ומומנט המפרקים של הרובוט במהלך התנועה מוצגים באיור 9. המשרעת של תנודות זווית הגלגול והגובה של הרובוט נשארת בטווח של 0.04 rad (הייחוס הוא 0), מה שמעיד על יכולתו הגונה בבקרת יציבה. מצד שני, נתוני מומנט המפרק אינם מראים קוצים או תקל...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

דיון

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

הרובוט המודולרי בעל הרגליים המוצע במאמר זה מציע נקודת מבט חדשה על תכנון רובוט רגליים, שבו תצורה מחדש ותנועה מתואמת מושגות באמצעות שילוב של מספר מודולי רגליים מבוזרים. גישה זו המוצגת במאמר זה אומתה בניסוי, ומאשרת את יכולתה לתצורה מחדש של תצורה ותנועה מתואמת. סעיפים 1, 2, 4 ו-5 בפרוטוקול זה מייצגים את השלבים הקריטיים ביישום תכנון זה, המכסים את פיתוח המבנה המכני של הרובוט ומערכת הבקרה החשמלית.

יש ביקוש הולך וגובר לרובוטים רגליים עם יציבות גבוהה ויכולת עומס כבד בי...

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

גילויים

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

המחברים מצהירים שאין להם אינטרסים פיננסיים מתחרים.

תודות

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

המחברים רוצים להביע את תודתם למר שיאנוו זנג על עזרתו בביצוע הניסויים המדווחים במאמר זה. עבודה זו נתמכה בחלקה על ידי הקרן הלאומית למדעי הטבע של סין (62373223) והקרן למדעי הטבע של מחוז שאנדונג (ZR2024ZD06).

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

חומרים

רשימת החומרים שנעשה בהם שימוש במאמר זה
שםחברהמספר קטלוגהערות
סוללהYOBOTICShttps://yobotics.cn/
אלקטרומגנטKaka ElectricH25
רכיב אלקטרוניJLChttps://yobotics.cn/כולל רכיבים נפוצים כגון נגדים, קבלים, משרנים וכו'
IMULORD3DM-GX5-45 
מנועYOBOTICShttps://yobotics.cn/
מודול ניהול צריכת חשמלJLCP1
שלט רחוקLedihttps://yobotics.cn/
נתבlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
חלקים מבנייםשירות הדפסת תלת מימדN/AM1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4

מקורות

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

הגישה מוגבלת. התחברו או התחילו תקופת ניסיון כדי לצפות בתוכן זה.

הדפסות חוזרות והרשאות

בקש הרשאה לשימוש חוזר בטקסט או באיורים של מאמר JoVE זה

בקש הרשאה

תגיות

Controller Area Network
הסרטון יגיע בקרוב

מאמרים קשורים