Methodenartikel

Ontwerp en besturing van een hoogdynamisch modulair herconfigureerbaar robotsysteem met poten

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 mei 2025

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

In dit artikel

Samenvatting

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

Hier presenteren we een protocol om beginners in staat te stellen een zeer dynamisch tweevoetig robotsysteem en een modulaire viervoetige robot bestaande uit tweevoeters als de kleinste eenheden te repliceren.

Samenvatting

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

Robots met poten hebben een uitzonderlijk aanpassingsvermogen aan het terrein, waardoor ze een ideaal platform zijn voor verkenning in de buitenlucht en vrachtvervoer over complexe terreinen. Het aantal en de configuratie van de poten spelen een cruciale rol in hun prestaties; De meeste huidige ontwerpen zijn echter monolithisch en missen de flexibiliteit voor herconfiguratie. Het protocol dat in dit document wordt gepresenteerd, beschrijft het ontwerp en de fabricage van een robotsysteem met modulaire poten met robuuste loopmogelijkheden en flexibele herconfiguratie tussen tweevoetige en viervoetige configuraties. Eerst worden verschillende functionele modules mechanisch geassembleerd om de constructie van het tweevoetige platform en de assemblage van het modulaire verbindingsapparaat te voltooien. Vervolgens hebben we met behulp van debugging-software de traagheidsmeeteenheid en motoren geconfigureerd, inclusief de ingestelde CAN-identiteit (CAN), baudrate en andere werkparameters om ervoor te zorgen dat ze zich in de juiste werkende staat bevinden. Vervolgens ontwierpen we een besturingsstrategie voor het hele lichaam en een gedistribueerd besturingskader om respectievelijk een stabiel lopen van de tweevoetige eenheid en een gecoördineerde beweging van de geassembleerde structuur te garanderen. Ten slotte hebben we de effectiviteit van het systeem gevalideerd op zowel tweevoetige als viervoetige configuraties, waardoor de robot stabiel buiten kan lopen.

Inleiding

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

Robots met poten, die gebruik maken van een discreet ondersteuningsmechanisme, vertonen een superieur aanpassingsvermogen en behendigheid van het terrein 1,2. In de afgelopen jaren zijn robots met poten ingezet in scenario's zoals reddings- en zoekoperaties, met gunstige resultaten 3,4,5. Robots met poten in verschillende configuraties bieden duidelijke voordelen voor verschillende taken. Tweevoetige robots, met hun eenvoudige ontwerp, kunnen door smalle ruimtes navigeren, maar hebben een beperkt laadvermogen. Viervoetige robots zijn complexer, maar kunnen zwaardere lasten dragen en sneller bewegen. Robots met zes of meer poten zorgen voor meer stabiliteit, maar zijn moeilijker te onderhouden. Bestaande robots met poten maken echter over het algemeen gebruik van een geïntegreerd ontwerp dat wordt gekenmerkt door een enkelvoudige configuratie die niet de flexibiliteit biedt om zich aan te passen of te schakelen tussen verschillende configuraties 6,7,8. Deze ontwerpbenadering resulteert in een hoge incidentie van fouten en brengt aanzienlijke onderhoudsuitdagingen met zich mee, aangezien single points of failure kunnen leiden tot instorting van het systeem. Robots die zijn ontworpen met het modulaire assemblageconcept kunnen daarentegen eenvoudig opnieuw worden geconfigureerd om aan verschillende taakvereistente voldoen 9,10. Wanneer ze op ruig terrein worden geconfronteerd, kunnen ze hun overrijdbaarheid verbeteren door het aantal poten of modules11 te vergroten.

Momenteel bevindt het onderzoek naar robots met modulaire poten zich nog in de verkennende fase, voornamelijk gericht op platforms met kleine of miniatuurpoten, die voornamelijk bewegen door te kruipen of te glibberen 11,12,13,14,15. Sommige assemblagesubmodules hebben zelfs geen onafhankelijke bewegingsmogelijkheden en kunnen alleen mobiliteit bereiken wanneer ze worden gecombineerd16,17. Dit maakt ze moeilijk in te zetten in praktische scenario's voor taken als transport en verkenning. Om deze uitdagingen aan te gaan, stelt dit artikel een modulair robotsysteem voor met flexibele mobiliteitsmogelijkheden. Anders dan eerdere methoden, zijn de poten van de assemblagesubmodules in dit artikel geïnspireerd op de beenconfiguratie van zoogdieren, waardoor ze snel kunnen lopen. We selecteren de tweevoetige robot als de kleinste lasmodule vanwege de eenvoudige structuur, het stabiele loopvermogen en de meer mensachtige loopstijl18,19.

Bovendien gebruiken sommige van de hierboven genoemde robots met modulaire poten vergrendelingen of bevestigingsmiddelen om modules12 met elkaar te verbinden, waardoor hun snelle verbindings- en ontkoppelingsmogelijkheden worden verzwakt. Om het verbindingsproces te vereenvoudigen en het gebruik van clips en bevestigingsmiddelen te vermijden, maken we gebruik van een elektromagnetisch bevestigingsmechanisme tussen modules, met controleerbare en flexibele activering/deactivering van de magnetische kracht. Om de voordelen van de robot met modulaire poten ten volle te benutten, gebruiken we een gedistribueerde besturingsbenadering om de voortbeweging van de robot te beheren die in dit document wordt besproken. De effectiviteit van het geconstrueerde systeem en de controlemethode is gevalideerd door middel van prototype-experimenten. Het voorgestelde systeem kan helpen bij het aanpakken van de behoeften van grootschalig materiaaltransport op ongestructureerd terrein of snelle verkenning in onbekende omgevingen.

Het doel van dit protocol is om het ontwerp- en productieproces van het in dit document beschreven systeem grondig te presenteren, zodat geïnteresseerde partijen robots met vergelijkbare functionaliteit kunnen repliceren of maken om aan hun behoeften te voldoen. De tweevoetige module in dit artikel is gebaseerd op ons eerdere werk. We hebben er een dockingmechanisme op geïnstalleerd en parameterfinetuning20 uitgevoerd.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Protocol

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

1. Bouw van de machine

  1. Monteer de stang, de behuizing en de kuit met behulp van schroeven en bevestigingsmiddelen en sluit vervolgens de gemonteerde stang aan op de sleutelpen van de motoruitgaande as met behulp van bevestigingsmiddelen (Afbeelding 1).
    OPMERKING: Het been, dat bestaat uit de koppeling, motor, lagers, enz., is het primaire onderdeel van de robot dat verantwoordelijk is voor zijn beweging.
  2. Initialiseer de motoren met behulp van de software die door de motorfabrikant wordt geleverd. Dit omvat de kalibratie van Hall-sensoren en encoders.
  3. Bevestig de twee geassembleerde poten met koolstofvezelplaten en geschikte connectoren om een tweevoetige structuur te creëren, zoals geïllustreerd (Figuur 2).
  4. Bevestig de koolstofvezelbuis aan beide zijden van het dockingapparaat met schroeven en zet de elektromagneet vast in de centrale groef (zie afbeelding 3).

2. Bouwen van de besturingskast

  1. Monteer de voedingskaart op basis van het schema en het fysieke schema van de schakeling in afbeelding 4.
  2. Plaats en bevestig de energiebeheermodule, de traagheidsmeeteenheid (IMU), de microcontrollereenheid (MCU) en andere componenten op de daarvoor bestemde locaties, zoals geïllustreerd (Afbeelding 5).
  3. Sluit de universele seriële bus (USB) poort van de MCU aan op de IMU met behulp van de JT30-USB-connector.
  4. Verbind de Ethernet-poort van de MCU met de router met behulp van een Ethernet-kabel.
  5. Gebruik de bedrading om de motorschakelaar, MCU-schakelaar en hoofdschakelaar aan te sluiten op de bijbehorende interfaces op de energiebeheermodule.
  6. Sluit de CAN1- en CAN2-interfaces van de seriële randapparatuurinterface (SPI) aan op respectievelijk de CAN1- en CAN2-interfaces van de energiebeheermodule.
  7. Koppel alle motoren aan de stroom- en CAN-interfaces op de energiebeheermodule via de bijbehorende interfaces.
    NOTITIE: De motoren van de linkerpoot zijn verbonden met de stroom- en CAN-interfaces aan de linkerkant op de energiebeheermodule via de linkerconnector op de schakelkast; De rechterkant is op dezelfde manier aangesloten.

3. Debuggen van de motoren

  1. Open de software voor motorfoutopsporing. Sluit de computer aan op de debug-motor met een USB-CAN-module.
  2. Wijs de CAN-ID van de motor toe. Stel de waarde van ab/ad in op 1, heup op 2 en knie op 3.
  3. Stel de nulpositie en de positieve richting van de verbinding achtereenvolgens in, zoals weergegeven in afbeelding 6.

4. Controleschema

  1. Stel de kinematische transmissierelatie tussen de verbindingen van de robot vast zoals aangegeven door
    figure-protocol-1
    OPMERKING: De z-as is uitgelijnd met de gewrichtsas i, terwijl de as is uitgelijnd langs de gemeenschappelijke loodlijn tussen de gewrichtsassen i en i + 1, gericht van verbinding i naar i + 1. Als de assen elkaar snijden, staat xi loodrecht op het snijvlak. EenI-1 is de rotatiehoek ongeveer xI-1 van ZI-1 naar ZI; EenI-1 is de afstand langs XI-1 van ZI-1 tot ZI; θi is de rotatiehoek ongeveer zi van xi-1 tot xi; En di is de afstand langs ZI van xI-1 tot XI.
  2. Stel de dynamische vergelijking van het hele lichaam vast die wordt gegeven door
    figure-protocol-2
    OPMERKING: Jc en fc geven de Jacobiaanse matrix aan die respectievelijk de voetkrachten afstemt op de gewrichtsruimte en de voetcontactkracht. M(q) is de traagheidsmatrix, figure-protocol-3 vertegenwoordigt centrifugale en Coriolis-termen, en g(q) is de zwaartekracht op de robot.
  3. Stel vergelijkingen op voor de controle van de balans van het hele lichaam.
    OPMERKING: De besturingswet voor de tweevoetige module integreert virtuele modelbesturing (VMC) en besturing van het hele lichaam (WBC). Voor gedetailleerde controlevergelijkingen, zie een eerder werk20.

5. Schrijf het programma

  1. Gebruik ST-LINK om het binaire (BIN) bestand van het communicatieprogramma tussen de MCU en de motor in het SPI-bord te importeren.
    OPMERKING: Het SPI-bord dient als de communicatiemodule tussen de MCU en de motoren, met de STM32 als besturingskern.
  2. Verzend het gecompileerde voortbewegingscontroleprogramma van de robot van de pc naar de MCU via een Ethernet-kabel.

6. Starten van de tweevoetige robotmodule

  1. Stel de robot in op de beginhouding, zoals geïllustreerd (Figuur 7A).
  2. Start het uitvoerbare bestand dat is samengesteld op basis van de besturingscode op de MCU.
  3. Stuur het standaardcommando naar de robot met behulp van de afstandsbediening (Figuur 7B).
    OPMERKING: De knoppen van de afstandsbediening kunnen naar wens worden geconfigureerd. Het wordt aanbevolen om de joystick te gebruiken om de snelheid te regelen en de knoppen tussen verschillende standen te schakelen.
  4. Activeer de voortbewegingsmodus van de robot via de afstandsbediening (Figuur 7C).
  5. Gebruik de joystick van de afstandsbediening om de robot vooruit, achteruit en stuur te manoeuvreren.

7. Starten van de modulaire, opnieuw geconfigureerde viervoeterrobot

  1. Configureer de routers van de twee tweevoetige modules zodat ze zich in hetzelfde netwerksegment bevinden.
  2. Zet het gedistribueerde controlekader op basis van Lightweight Communications and Marshalling (LCM)21 op.
  3. Installeer de geassembleerde componenten van het lasapparaat op de kop van de tweevoetige robot.
  4. Plaats de twee tweevoetige modules in de begintoestand zoals gespecificeerd en activeer de magnetische kracht van het lasapparaat.
  5. Start de uitvoerbare programma's van de twee tweevoetige modules afzonderlijk.
  6. Stuur het staande commando via de afstandsbediening naar de robot.
  7. Activeer de voortbewegingsmodus van de robot via de afstandsbediening.
  8. Gebruik de joystick van de afstandsbediening om de lasrobot vooruit, achteruit en sturen te manoeuvreren.

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Resultaten

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

Om de effectiviteit van het voorgestelde systeem te valideren, hebben we buiten wandeltests uitgevoerd op meerdere terreinen. In eerste instantie werd een enkele tweevoetige module als proefpersoon geselecteerd en werden bewegingstests uitgevoerd op zowel kunstgras als een kunstgrasbaan. Zoals te zien is in figuur 8, vertoonde de robot een stabiele voortbeweging op beide terreinen. De houdings- en gewrichtskoppelgegevens van de robot tijdens de voortbeweging...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Discussie

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

De robot met modulaire poten die in dit artikel wordt voorgesteld, biedt een nieuw perspectief op het ontwerp van de pootrobot, waarbij herconfiguratie en gecoördineerde beweging worden bereikt door de combinatie van meerdere gedistribueerde beenmodules. Deze benadering die in dit artikel wordt gepresenteerd, is experimenteel gevalideerd en bevestigt het vermogen voor herconfiguratie van configuraties en gecoördineerde bewegingen. Secties 1, 2, 4 en 5 in dit protocol vertegenwoordigen de...

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Openbaarmakingen

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

De auteurs verklaren dat zij geen concurrerende financiële belangen hebben.

Dankbetuigingen

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

De auteurs willen graag hun dankbaarheid betuigen aan de heer Xianwu Zeng voor zijn hulp bij het uitvoeren van de experimenten die in dit artikel worden beschreven. Dit werk werd mede mogelijk gemaakt door de National Natural Science Foundation of China (62373223) en de Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2024ZD06).

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Materialen

Lijst van materialen gebruikt in dit artikel
NaamBedrijfCatalogusnummerOpmerkingen
BatterijYOBOTICShttps://yobotics.cn/
ElektromagneetKaka ElectricH25
Elektronisch onderdeelJLChttps://yobotics.cn/Inclusief veelgebruikte onderdelen zoals weerstanden, condensatoren, spoelen, enz.
IMULORD3DM-GX5-45 
MotorYOBOTICShttps://yobotics.cn/
EnergiebeheermoduleJLCP1
AfstandsbedieningLedihttps://yobotics.cn/
RouterlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Structuuronderdelen3D printserviceN/AM1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2,LX3, LX4

Referenties

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

Toegang beperkt. Log in of start een proefperiode om deze inhoud te bekijken.

Herprints en machtigingen

Toestemming aanvragen om de tekst of afbeeldingen van dit JoVE-artikel te hergebruiken

Toestemming aanvragen

Trefwoorden

Gepotte RobotsModulaire RoboticaReconfigureerbare RobotBipedaal PlatformQuadrupede RobotWhole Body ControlGedistribueerde AansturingTerreinadaptatieRobotlocomotieController Area Network
Video binnenkort beschikbaar

Gerelateerde artikelen