Subskrypcja JoVE jest wymagana do oglądania tego materiału. Zaloguj się lub rozpocznij bezpłatny okres próbny.

Artykuł metodologiczny

Projektowanie i sterowanie wysoce dynamicznym, modułowym, rekonfigurowalnym systemem robotycznym z nogami

1K wyświetleń

⸱

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 maja 2025

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

W tym artykule

Podsumowanie

Tutaj prezentujemy protokół, który umożliwia początkującym replikowanie wysoce dynamicznego dwunożnego systemu robotycznego oraz modułowego czworonożnego robota składającego się z dwunożnych jako najmniejszych jednostek.

Streszczenie

Nogie roboty posiadają wyjątkową zdolność adaptacji do terenu, co czyni je idealną platformą do eksploracji terenu i transportu ładunków przez skomplikowane tereny. Liczba i konfiguracja nóg odgrywają kluczową rolę w ich wydajności; Jednak większość obecnych projektów jest monolityczna, brakuje jej elastyczności w zakresie rekonfiguracji. Protokół przedstawiony w tym artykule szczegółowo opisuje projekt i produkcję modułowego systemu robota na nogach z solidnymi możliwościami chodzenia i elastyczną rekonfiguracją między konfiguracjami dwunożnymi i czworonożnymi. Po pierwsze, różne moduły funkcjonalne są montowane mechanicznie, aby zakończyć konstrukcję dwunożnej platformy i montaż modułowego urządzenia łączącego. Następnie, za pomocą oprogramowania do debugowania, skonfigurowaliśmy inercyjną jednostkę pomiarową i silniki, w tym ustawiliśmy tożsamość (ID) sieci kontrolera (CAN), szybkość transmisji i inne parametry robocze, aby upewnić się, że są w prawidłowym stanie roboczym. Następnie zaprojektowaliśmy strategię kontroli całego ciała i rozproszoną strukturę sterowania, aby zapewnić odpowiednio stabilny chód dwunożnej jednostki i skoordynowany ruch zmontowanej konstrukcji. Na koniec sprawdziliśmy skuteczność systemu zarówno w konfiguracjach dwunożnych, jak i czworonożnych, umożliwiając robotowi stabilne chodzenie na zewnątrz.

Wprowadzenie

Roboty o nogach, wykorzystujące dyskretny mechanizm wsparcia, wykazują się ponadprzeciętną zdolnością adaptacji do terenu i zwinnością1,2. W ostatnich latach roboty na nogach zostały wykorzystane w scenariuszach takich jak operacje ratownicze i poszukiwawcze, osiągając korzystne wyniki3,4,5. Roboty nożne o różnych konfiguracjach oferują wyraźne korzyści w różnych zadaniach. Roboty dwunożne, dzięki swojej prostej konstrukcji, mogą poruszać się w wąskich przestrzeniach, ale mają ograniczoną nośność. Roboty czworonożne są bardziej złożone, ale mogą przenosić cięższe ładunki i poruszać się szybciej. Roboty z sześcioma lub więcej nogami zapewniają większą stabilność, ale są trudniejsze w utrzymaniu. Jednak istniejące roboty na nogach zazwyczaj wykorzystują zintegrowaną konstrukcję charakteryzującą się pojedynczą konfiguracją, która nie jest elastyczna w dostosowywaniu lub przełączaniu między różnymi konfiguracjami6,7,8. Takie podejście projektowe skutkuje dużą częstością występowania usterek i stanowi poważne wyzwanie w zakresie konserwacji, ponieważ pojedyncze punkty awarii mogą prowadzić do załamania się systemu. Z kolei roboty zaprojektowane w oparciu o koncepcję montażu modułowego można łatwo rekonfigurować, aby spełnić różne wymagania zadań9,10. W trudnym terenie mogą zwiększyć swoją zdolność pokonywania, zwiększając liczbę nóg lub modułów11.

Obecnie badania nad modułowymi robotami na nogach są nadal w fazie eksploracyjnej, koncentrując się głównie na platformach o małych lub miniaturowych nogach, które poruszają się głównie czołgając się lub pełzając11,12,13,14,15. Niektóre podmoduły montażowe nie mają nawet możliwości niezależnego poruszania się i mogą osiągnąć mobilność tylko wtedy, gdy są połączone16,17. To sprawia, że trudno je wdrożyć w praktycznych scenariuszach do zadań takich jak transport i rozpoznanie. Aby sprostać tym wyzwaniom, w niniejszym artykule zaproponowano modułowy system robotyczny o elastycznych możliwościach mobilności. W odróżnieniu od poprzednich metod, nogi podmodułów montażowych w tym artykule są inspirowane konfiguracją nóg ssaków, zapewniając możliwości szybkiego biegu. Wybieramy dwunożnego robota jako najmniejszy moduł łączący ze względu na jego prostą budowę, stabilną zdolność chodzenia i bardziej ludzki styl chodzenia18,19.

Dodatkowo, niektóre z modułowych robotów na nogach wymienionych powyżej używają zatrzasków lub łączników do łączenia modułów12, osłabiając ich zdolność do szybkiego łączenia i rozłączania. Aby uprościć proces łączenia i uniknąć stosowania klipsów i łączników, stosujemy elektromagnetyczny mechanizm mocowania między modułami, z kontrolowaną i elastyczną aktywacją/dezaktywacją siły magnetycznej. Aby w pełni wykorzystać zalety modułowego robota na nogach, stosujemy podejście do sterowania rozproszonego do zarządzania lokomocją, o którym mowa w tym artykule. Skuteczność skonstruowanego systemu i metody sterowania została potwierdzona za pomocą eksperymentów prototypowych. Proponowany system może pomóc w zaspokojeniu potrzeb transportu materiałów na dużą skalę w nieustrukturyzowanym terenie lub szybkiego rozpoznania w nieznanym środowisku.

Celem tego protokołu jest dokładne przedstawienie procesu projektowania i produkcji systemu opisanego w tym artykule, umożliwiając zainteresowanym stronom replikację lub tworzenie robotów o podobnej funkcjonalności, aby spełnić ich potrzeby. Moduł dwunożny w tym artykule jest oparty na naszej poprzedniej pracy. Zainstalowaliśmy na nim mechanizm dokowania i przeprowadziliśmy dostrajanie parametrów20.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Protokół

1. Budowa urządzenia

  1. Złóż mechanizm, obudowę i łydkę za pomocą śrub i elementów łączących, a następnie podłącz zebrany mechanizm do wału wyjściowego silnika za pomocą wpustu i elementów łączących (Rysunek 1).
    UWAGA: Noga, składająca się z mechanizmu, silnika, łożysk itp., jest głównym komponentem robota odpowiedzialnym za jego ruch.
  2. Uruchom silniki za pomocą oprogramowania dostarczonego przez producenta silników. Obejmuje to kalibrację czujników Halla i enkoderów.
  3. Połącz dwie zebrane nogi za pomocą płytek z włókna węglowego i odpowiednich łączników, tworząc strukturę dwunożną, jak pokazano na rysunku (Rysunek 2).
  4. Przytwierdź rurę z włókna węglowego do obu stron urządzenia dokującego za pomocą śrub i umieść elektromagnes w centralnym żłobku (zobacz Rysunek 3).

2. Budowanie skrzynki sterowniczej

  1. Zmontuj płytę zasilania zgodnie ze schematem obwodu i rysunkiem fizycznym pokazanym na Rysunek 4.
  2. Umieść i zamocuj moduł zarządzania zasilaniem, jednostkę pomiaru inercyjnego (IMU), jednostkę mikrokontrolera (MCU) oraz inne komponenty we wskazanych miejscach, jak pokazano na ilustracji (Rysunek 5).
  3. Połącz port uniwersalnej szyny szeregowej (USB) jednostki MCU z IMU za pomocą złącza JT30-USB.
  4. Połącz port Ethernetowy jednostki MCU z routerem za pomocą kabla Ethernet.
  5. Wykorzystaj okablowanie, aby połączyć przełącznik silnika, przełącznik MCU oraz główny przełącznik z odpowiadającymi im interfejsami na module zarządzania zasilaniem.
  6. Połącz interfejsy CAN1 i CAN2 płytki interfejsu szeregowego (SPI) odpowiednio z interfejsami CAN1 i CAN2 modułu zarządzania zasilaniem.
  7. Połącz wszystkie silniki z interfejsami zasilania i CAN na module zarządzania zasilaniem poprzez odpowiadające im złącza.
    UWAGA: Silniki lewej nogi są podłączone do lewych interfejsów zasilania i CAN na module zarządzania zasilaniem za pośrednictwem złącza po lewej stronie skrzynki sterowniczej; prawa strona jest podłączona w podobny sposób.

3. Diagnozowanie usterek silników

  1. Otwórz oprogramowanie do debugowania silnika. Podłącz komputer do silnika debugującego za pomocą modułu USB-CAN.
  2. Przypisz identyfikator CAN silnika. Ustaw wartość ab/ad na 1, hip na 2, a knee na 3.
  3. Ustaw kolejno pozycję zerową stawu i kierunek dodatni, jak pokazano na Rysunek 6.

4. Schemat sterowania

  1. Ustal zależność kinematyczną przekładni pomiędzy ogniwami robota, jak podano w
    macierz transformacji Denavita-Hartenberga; wzór kinematyki robotów; równanie symboliczne
    UWAGA: z oś jest wyrównana z osią stawu i podczas gdy oś jest zgodna z wspólną prostopadłą między osiami przegubów i i i +1, skierowane od stawu i do i + 1. Jeśli osie przecinają się, xi jest prostopadły do płaszczyzny przecięcia. ai-1 jest kątem obrotu wokół xi-1 z zi-1 do zi; ai-1 jest odległością wzdłuż xi-1 z zi-1 do zi; θi jest kątem obrotu wokół zi z xi-1 do xi; a di to odległość wzdłuż zi z xi-1 do xi.
  2. Ustal pełne równanie dynamiczne ciała dane przez
    Równanie dynamiczne; M(q)q̈+C(q,q̇)q̇+g(q)=S_jτ+J_c^T f_c; wzór matematyczny
    UWAGA: Jc i fc oznaczają odpowiednio macierz Jacobiego przekształcającą siły kontaktowe stóp na przestrzeń stawów oraz siłę kontaktową stopy. M(q) jest macierzą bezwładności, równanie układu dynamicznego; C(q, q̇)q̇; równowaga statyczna; wzór; zastosowanie edukacyjne reprezentuje składniki odśrodkowe i siły Coriolisa, oraz g(q) jest siłą grawitacyjną działającą na robota.
  3. Ustal równania kontroli równowagi całego ciała.
    UWAGA: Prawo sterowania dla modułu dwunożnego integruje sterowanie z wykorzystaniem modelu wirtualnego (VMC) i sterowanie całościowe (WBC). Szczegółowe równania sterowania omówiono we wcześniejszej pracy20.

5. Napisz program

  1. Użyj ST-LINK do zaimportowania pliku binarnego (BIN) programu komunikacyjnego między mikrokontrolerem a silnikiem do płytki SPI.
    UWAGA: Płyta SPI służy jako moduł komunikacyjny między mikrokontrolerem a silnikami, przy czym rdzeniem sterującym jest STM32.
  2. Przesyłaj skompilowany program sterowania ruchem robota z komputera do mikrokontrolera za pośrednictwem kabla Ethernet.

6. Uruchamianie modułu robota dwunożnego

  1. Ustaw robota w pozycji początkowej, jak pokazano (Rycina 7A).
  2. Uruchom skompilowany plik wykonywalny z kodu sterującego na mikrokontrolerze (MCU).
  3. Wyślij do robota polecenie „stan” za pomocą pilota zdalnego sterowania (Rycina 7B).
    UWAGA: Przyciski pilota mogą być konfigurowane według potrzeb. Zaleca się użycie joysticka do regulacji prędkości, a przycisków — do przełączania między różnymi stanami.
  4. Aktywuj tryb lokomocji robota za pomocą pilota zdalnego sterowania (Rycina 7C).
  5. Użyj joysticka na pilocie, aby przemieszczać robota do przodu, do tyłu oraz manewrować.

7. Uruchamianie modularnie przebudowanego robota czworonożnego

  1. Skonfiguruj routery dwóch modułów dwunożnych tak, aby znajdowały się w tym samym segmencie sieciowym.
  2. Utwórz rozproszony system sterowania oparty na Lightweight Communications and Marshalling (LCM)21.
  3. Zamontuj zebrane komponenty urządzenia łączącego na głowie robota dwunożnego.
  4. Ustaw oba moduły dwunożne w stanie początkowym zgodnie z instrukcją i włącz siłę magnetyczną urządzenia łączącego.
  5. Uruchom osobno pliki wykonywalne obu modułów dwunożnych.
  6. Wyślij polecenie przyjęcia pozycji stojącej do robota za pomocą pilota zdalnego sterowania.
  7. Włącz tryb lokomocji robota za pomocą pilota zdalnego sterowania.
  8. Za pomocą joysticka na pilocie zdalnego sterowania przemieszczaj robota łączącego do przodu, do tyłu oraz skręcaj.

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Wyniki

Aby zweryfikować skuteczność proponowanego systemu, przeprowadzono testy chodzenia na zewnątrz w zróżnicowanym terenie. Początkowo w charakterze obiektu testowego wybrano pojedynczy moduł bipedalny, a testy ruchu przeprowadzono zarówno na sztucznej trawie, jak i na syntetycznej bieżni. Jak pokazano na Rysunku 8, robot wykazał stabilną lokomocję na obu powierzchniach. Dane dotyczące postawy i momentu obrotowego przegubów robota podczas lokomocji przedstawiono na Rysunku 9...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Dyskusja

Modułowy robot na nogach zaproponowany w tym artykule oferuje nowe spojrzenie na projektowanie robotów na nogach, w którym rekonfiguracja i skoordynowany ruch są osiągane dzięki połączeniu wielu rozproszonych modułów nóg. Podejście to przedstawione w tym artykule zostało eksperymentalnie zweryfikowane, potwierdzając jego zdolność do rekonfiguracji konfiguracji i skoordynowanego ruchu. Sekcje 1, 2, 4 i 5 niniejszego protokołu reprezentują krytyczne etapy realizacji tego projektu, obejmujące rozwój zarówno konstrukcji mech...

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Oświadczenia

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

Autorzy chcieliby wyrazić swoją wdzięczność Panu Xianwu Zeng za pomoc w przeprowadzaniu eksperymentów opisanych w tym artykule. Prace te były częściowo wspierane przez Chińską Narodową Fundację Nauk Przyrodniczych (62373223) oraz Fundację Nauk Przyrodniczych prowincji Shandong (ZR2024ZD06).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Materiały

Lista materiałów użytych w tym artykule
NazwaFirmaNumer katalogowyKomentarze
AkumulatorYOBOTICShttps://yobotics.cn/
ElektromagnesKaka ElectricH25
Element elektronicznyJLChttps://yobotics.cn/W tym powszechnie stosowane komponenty, takie jak rezystory, kondensatory, cewki indukcyjne itp
IMULORD3DM-GX5-45 
SilnikYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Moduł zarządzania energiąJLCP1
Pilot zdalnego sterowaniaLedihttps://yobotics.cn/
RouterlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Części konstrukcyjneUsługa druku 3DNie dotyczyM1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4
.

Bibliografia

  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).

Dostęp ograniczony. Zaloguj się lub rozpocznij wersję próbną, aby wyświetlić tę treść.

Przedruki i uprawnienia

Tagi

Roboty kroczącerobotyka modułowarobot rekonfigurowalnyplatforma bipedalnarobot quadrupedalnysterowanie całym ciałemsterowanie rozproszoneadaptacyjność do terenulokomocja robotówsieci CAN

Ten artykuł został opublikowany

Film wkrótce dostępny

Skontaktuj się z nami
Poleć bibliotece

Prywatność

Warunki korzystania z usługi

Zasady

Prawa autorskie © 2026 MyJoVE Corporation. Wszelkie prawa zastrzeżone.