Articolo metodologico

Progettazione e controllo di un sistema robotico modulare riconfigurabile ad alta dinamica

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 maggio 2025

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

In questo articolo

Sommario

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

Qui, presentiamo un protocollo per consentire ai principianti di replicare un sistema robotico bipede altamente dinamico e un robot quadrupede modulare composto da bipedi come unità più piccole.

Abstract

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

I robot con le zampe possiedono un'eccezionale adattabilità al terreno, che li rende una piattaforma ideale per l'esplorazione all'aperto e il trasporto di merci su terreni complessi. Il numero e la configurazione delle gambe giocano un ruolo cruciale nelle loro prestazioni; Tuttavia, la maggior parte dei progetti attuali sono monolitici, privi della flessibilità necessaria per la riconfigurazione. Il protocollo presentato in questo articolo descrive in dettaglio la progettazione e la fabbricazione di un sistema robotico modulare con robuste capacità di deambulazione e riconfigurazione flessibile tra configurazioni bipedi e quadrupedi. In primo luogo, vari moduli funzionali vengono assemblati meccanicamente per completare la costruzione della piattaforma bipede e l'assemblaggio del dispositivo di collegamento modulare. Successivamente, utilizzando il software di debugging, abbiamo configurato l'unità di misura inerziale e i motori, inclusa l'identità (ID) della rete CAN (Controller Area Network), la velocità di trasmissione e altri parametri di lavoro per garantire che siano nello stato di funzionamento corretto. Quindi, abbiamo progettato una strategia di controllo di tutto il corpo e un quadro di controllo distribuito per garantire rispettivamente una deambulazione stabile dell'unità bipede e un movimento coordinato della struttura assemblata. Infine, abbiamo convalidato l'efficacia del sistema sia su configurazioni bipedi che quadrupedi, consentendo al robot di raggiungere una camminata stabile all'aperto.

Introduzione

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

I robot con gambe, che utilizzano un meccanismo di supporto discreto, mostrano un'adattabilità e un'agilità superiori al terreno 1,2. Negli ultimi anni, i robot con le zampe sono stati impiegati in scenari come le operazioni di salvataggio e ricerca, ottenendo risultati favorevoli 3,4,5. I robot con gambe di varie configurazioni offrono vantaggi distinti per diversi compiti. I robot bipedi, con il loro design semplice, possono navigare in spazi ristretti ma hanno una capacità di carico limitata. I robot quadrupedi sono più complessi, ma possono trasportare carichi più pesanti e muoversi più velocemente. I robot con sei o più zampe offrono una maggiore stabilità ma sono più difficili da mantenere. Tuttavia, i robot con gambe esistenti generalmente impiegano un design integrato caratterizzato da una configurazione singolare che manca della flessibilità necessaria per adattarsi o passare da una configurazione all'altra 6,7,8. Questo approccio progettuale comporta un'elevata incidenza di guasti e presenta notevoli sfide di manutenzione, poiché singoli punti di guasto possono portare al collasso del sistema. Al contrario, i robot progettati con il concetto di assemblaggio modulare possono essere facilmente riconfigurati per soddisfare diversi requisiti di attività 9,10. Quando affrontano terreni accidentati, possono migliorare la loro attraversabilità aumentando il numero di gambe o moduli11.

Attualmente, la ricerca sui robot modulari a zampe è ancora in fase esplorativa, concentrandosi principalmente su piattaforme a gambe piccole o in miniatura, che si muovono principalmente strisciando o strisciando 11,12,13,14,15. Alcuni sottomoduli di assemblaggio mancano persino di capacità di movimento indipendenti e possono raggiungere la mobilità solo se combinati16,17. Ciò li rende difficili da implementare in scenari pratici per attività come il trasporto e la ricognizione. Per affrontare queste sfide, questo articolo propone un sistema robotico a gambe modulari con capacità di mobilità flessibili. A differenza dei metodi precedenti, le zampe dei sottomoduli di assemblaggio in questo documento sono ispirate alla configurazione delle zampe dei mammiferi, fornendo capacità di corsa rapida. Selezioniamo il robot bipede come il modulo di giunzione più piccolo grazie alla sua struttura semplice, alla capacità di camminare stabile e allo stile di camminata più simile a quello umano18,19.

Inoltre, alcuni dei robot con gambe modulari sopra menzionati utilizzano fermi o dispositivi di fissaggio per collegare i moduli12, indebolendo le loro capacità di connessione e disconnessione rapide. Per semplificare il processo di connessione ed evitare l'uso di clip e dispositivi di fissaggio, impieghiamo un meccanismo di fissaggio elettromagnetico tra i moduli, con attivazione/disattivazione controllabile e flessibile della forza magnetica. Per sfruttare appieno i vantaggi del robot a gambe modulari, impieghiamo un approccio di controllo distribuito per gestire la locomozione del robot discussa in questo articolo. L'efficacia del sistema costruito e del metodo di controllo è stata convalidata attraverso esperimenti prototipali. Il sistema proposto può aiutare a soddisfare le esigenze del trasporto di materiali su larga scala in terreni non strutturati o della ricognizione rapida in ambienti sconosciuti.

L'obiettivo di questo protocollo è quello di presentare in modo completo il processo di progettazione e produzione del sistema descritto in questo documento, consentendo alle parti interessate di replicare o creare robot con funzionalità simili per soddisfare le proprie esigenze. Il modulo bipede in questo articolo si basa sul nostro lavoro precedente. Abbiamo installato un meccanismo di aggancio su di esso ed eseguito la messa a puntodei parametri 20.

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Protocollo

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1. Costruzione della macchina

  1. Assemblare il collegamento, l'alloggiamento e il polpaccio utilizzando viti e dispositivi di fissaggio, quindi collegare il collegamento assemblato al perno della chiavetta dell'albero di uscita del motore utilizzando dispositivi di fissaggio (Figura 1).
    NOTA: La gamba, che comprende il collegamento, il motore, i cuscinetti, ecc., è il componente principale del robot responsabile del suo movimento.
  2. Inizializzare i motori utilizzando il software fornito dal produttore del motore. Ciò include la calibrazione di sensori Hall ed encoder.
  3. Fissare le due gambe assemblate con piastre in fibra di carbonio e connettori appropriati per creare una struttura bipede, come illustrato (Figura 2).
  4. Fissare il tubo in fibra di carbonio su entrambi i lati del dispositivo di aggancio con le viti e fissare l'elettromagnete nella sua scanalatura centrale (vedere la Figura 3).

2. Costruzione della scatola di controllo

  1. Assemblare la scheda di alimentazione in base allo schema del circuito e allo schema fisico mostrati nella Figura 4.
  2. Posizionare e fissare il modulo di gestione dell'alimentazione, l'unità di misura inerziale (IMU), l'unità microcontrollore (MCU) e altri componenti nelle posizioni designate come illustrato (Figura 5).
  3. Collegare la porta USB (Universal Serial Bus) dell'MCU all'IMU utilizzando il connettore JT30-USB.
  4. Collegare la porta Ethernet dell'MCU al router utilizzando un cavo Ethernet.
  5. Utilizzare il cablaggio per collegare l'interruttore del motore, l'interruttore MCU e l'interruttore principale alle interfacce corrispondenti sul modulo di gestione dell'alimentazione.
  6. Collegare le interfacce CAN1 e CAN2 della scheda SPI (Serial Peripheral Interface) rispettivamente alle interfacce CAN1 e CAN2 del modulo di gestione dell'alimentazione.
  7. Collegare tutti i motori alle interfacce di alimentazione e CAN sul modulo di gestione dell'alimentazione tramite le interfacce corrispondenti.
    NOTA: I motori della gamba sinistra sono collegati all'alimentazione sul lato sinistro e alle interfacce CAN sul modulo di gestione dell'alimentazione tramite il connettore sul lato sinistro sulla scatola di controllo; Il lato destro è collegato in modo simile.

3. Debug dei motori

  1. Aprire il software di debug del motore. Collegare il computer al motore di debug con un modulo USB-CAN.
  2. Assegnare l'ID CAN del motore. Impostare il valore di ab/ad su 1, anca su 2 e ginocchio su 3.
  3. Impostare la posizione zero del giunto e la direzione positiva in sequenza, come mostrato nella Figura 6.

4. Schema di controllo

  1. Stabilire la relazione di trasmissione cinematica tra i collegamenti del robot come dato da
    figure-protocol-1
    NOTA: L'asse z si allinea con l'asse del giunto i mentre l'asse si allinea lungo la perpendicolare comune tra gli assi del giunto i e i + 1, diretto dal giunto i a i + 1. Se gli assi si intersecano, xi è perpendicolare al piano di intersezione. ai-1 è l'angolo di rotazione attorno a xi-1 da zi-1 a zi; ai-1 è la distanza lungo xi-1 da zi-1 a zi; θi è l'angolo di rotazione attorno a zi da xi-1 a xi; e di è la distanza lungo zi da xi-1 a xi.
  2. Stabilire l'equazione dinamica di tutto il corpo data da
    figure-protocol-2
    NOTA: Jc e fc denotano la matrice jacobiana che mappa le forze del piede nello spazio articolare e la forza di contatto del piede, rispettivamente. M(q) è la matrice inerziale, figure-protocol-3 rappresenta i termini centrifughi e di Coriolis, e g(q) è la forza gravitazionale sul robot.
  3. Stabilisci equazioni di controllo dell'equilibrio di tutto il corpo.
    NOTA: La legge di controllo per il modulo bipede integra il controllo del modello virtuale (VMC) e il controllo di tutto il corpo (WBC). Per le equazioni di controllo dettagliate, fare riferimento a un lavoro precedente20.

5. Scrivi il programma

  1. Utilizzare ST-LINK per importare il file binario (BIN) del programma di comunicazione tra l'MCU e il motore nella scheda SPI.
    NOTA: La scheda SPI funge da modulo di comunicazione tra l'MCU e i motori, con l'STM32 come nucleo di controllo.
  2. Trasmetti il programma di controllo della locomozione del robot compilato dal PC all'MCU tramite un cavo Ethernet.

6. Avvio del modulo robot bipede

  1. Impostare il robot sulla postura iniziale, come illustrato (Figura 7A).
  2. Avviare il file eseguibile compilato dal codice di controllo sull'MCU.
  3. Inviare il comando di supporto al robot utilizzando il telecomando (Figura 7B).
    NOTA: I pulsanti del telecomando possono essere configurati secondo necessità. Si consiglia di utilizzare il joystick per controllare la velocità e di passare da uno stato all'altro.
  4. Attivare la modalità di locomozione del robot tramite il telecomando (Figura 7C).
  5. Usa il joystick del telecomando per manovrare il robot in avanti, indietro e sterzare.

7. Avvio del robot quadrupede modulare riconfigurato

  1. Configurare i router dei due moduli bipedi in modo che si trovino sullo stesso segmento di rete.
  2. Stabilire il framework di controllo distribuito basato su Lightweight Communications and Marshalling (LCM)21.
  3. Installare i componenti del dispositivo di giunzione assemblati sulla testa del robot bipede.
  4. Posizionare i due moduli bipedi nello stato iniziale come specificato e attivare la forza magnetica del dispositivo di giunzione.
  5. Avviare separatamente i programmi eseguibili dei due moduli bipede.
  6. Trasmettere il comando in piedi al robot tramite il telecomando.
  7. Attiva la modalità di locomozione del robot tramite il telecomando.
  8. Usa il joystick del telecomando per manovrare il robot di giunzione in avanti, indietro e sterzare.

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Risultati

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Per convalidare l'efficacia del sistema proposto, abbiamo condotto test di camminata all'aperto su più terreni. Inizialmente, è stato selezionato un singolo modulo bipede come soggetto di prova e i test di movimento sono stati condotti sia su erba artificiale che su una pista sintetica. Come mostrato nella Figura 8, il robot ha dimostrato una locomozione stabile su entrambi i terreni. I dati sulla postura e sulla coppia articolare del robot durante la locomozione sono mostrati nella

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Discussione

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Il robot modulare con gambe proposto in questo articolo offre una nuova prospettiva sulla progettazione di robot con gambe, in cui la riconfigurazione e il movimento coordinato sono ottenuti attraverso la combinazione di più moduli di gambe distribuiti. Questo approccio presentato in questo articolo è stato convalidato sperimentalmente, confermando la sua capacità di riconfigurazione della configurazione e movimento coordinato. Le sezioni 1, 2, 4 e 5 di questo protocollo rappresentano le...

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Dichiarazioni

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Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Ringraziamenti

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Gli autori desiderano esprimere la loro gratitudine al signor Xianwu Zeng per la sua assistenza nell'esecuzione degli esperimenti riportati in questo articolo. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Natural Science Foundation of China (62373223) e dalla Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2024ZD06).

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Materiali

Elenco dei materiali utilizzati in questo articolo
NomeAziendaNumero di catalogoCommenti
BatteriaYOBOTICShttps://yobotics.cn/
ElettromagneteKaka ElectricH25
Componente elettronicoJLChttps://yobotics.cn/Compresi componenti di uso comune come resistori, condensatori, induttori, ecc
IMULORD3DM-GX5-45 
MotoreYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Modulo di gestione dell'alimentazioneJLCP1
TelecomandoLedihttps://yobotics.cn/
RouterlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Parti strutturaliServizio di stampa 3DN/AM1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4

Riferimenti

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