Artykuł metodologiczny

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

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 maja 2025

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

W tym artykule

Podsumowanie

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

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

Streszczenie

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

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

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

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

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

1. Budowa maszyny

  1. Zamontuj łącznik, obudowę i łydkę za pomocą i elementów złącznych, a następnie podłącz zmontowany łącznik do trzpienia kluczowego wału wyjściowego silnika za pomocą elementów mocujących (Rysunek 1).
    UWAGA: Noga, która składa się z podnośnika, silnika, łożysk itp., Jest podstawowym elementem robota odpowiedzialnym za jego ruch.
  2. Zainicjuj silniki za pomocą oprogramowania dostarczonego przez producenta silnika. Obejmuje to kalibrację czujników Halla i enkoderów.
  3. Przymocuj dwie zmontowane nogi za pomocą płytek z włókna węglowego i odpowiednich łączników, aby stworzyć dwunożną strukturę, jak pokazano (Rysunek 2).
  4. Przymocuj rurkę z włókna węglowego po obu stronach urządzenia dokującego za pomocą i zabezpiecz elektromagnes w jego środkowym rowku (patrz Rysunek 3).

2. Budowa skrzynki kontrolnej

  1. Zmontuj płytę zasilającą w oparciu o schemat obwodu i schemat fizyczny pokazany na Rysunek 4.
  2. Ustaw i zabezpiecz moduł zarządzania energią, inercyjną jednostkę pomiarową (IMU), jednostkę mikrokontrolera (MCU) i inne komponenty w wyznaczonych miejscach, jak pokazano na ilustracji (Rysunek 5).
  3. Podłącz port uniwersalnej magistrali szeregowej (USB) MCU do IMU za pomocą złącza JT30-USB.
  4. Połącz port Ethernet MCU z routerem za pomocą Ethernet.
  5. Użyj okablowania, aby podłączyć wyłącznik silnikowy, przełącznik MCU i wyłącznik główny do odpowiednich interfejsów w module zarządzania energią.
  6. Podłącz interfejsy CAN1 i CAN2 karty szeregowego interfejsu peryferyjnego (SPI) odpowiednio do interfejsów CAN1 i CAN2 modułu zarządzania energią.
  7. Podłącz wszystkie silniki do interfejsów zasilania i CAN w module zarządzania energią za pomocą odpowiednich interfejsów.
    UWAGA: Silniki lewej nogi są połączone z interfejsami zasilania i CAN po lewej stronie modułu zarządzania energią za pośrednictwem złącza po lewej stronie na skrzynce sterowniczej; Prawa strona jest połączona podobnie.

3. Debugowanie silników

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

4. Schemat sterowania

  1. Ustal relację transmisji kinematycznej między połączeniami robota zgodnie z wzorem
    figure-protocol-1
    UWAGA: Oś z wyrównuje się z osią połączenia i, podczas gdy oś wyrównuje się wzdłuż wspólnej prostopadłej między osiami stawu i i oraz i + 1, skierowanej od stawu i do i + 1. Jeśli osie się przecinają, xi jest prostopadłe do płaszczyzny przecięcia. a i-1 jest kątem obrotu wokół xi-1 od z i-1 do zi; ai-1 jest odległością wzdłuż xi-1 od zi-1 do zi; θi jest kątem obrotu wokół zi od xi-1 do xi; a di jest odległością wzdłuż zi od xi-1 do xi.
  2. Ustal równanie dynamiczne całego ciała podane przez
    figure-protocol-2
    UWAGA: Jc i fc oznaczają macierz jakobiańską odwzorowującą odpowiednio siły stopy na przestrzeń stawu i siłę nacisku stopy. M(q) to macierz bezwładności, figure-protocol-3 reprezentuje człony odśrodkowe i Coriolisa, a g(q) to siła grawitacji działająca na robota.
  3. Ustal równania kontroli równowagi całego ciała.
    UWAGA: Prawo sterowania dla modułu dwunożnego integruje wirtualną kontrolę modelu (VMC) i kontrolę całego ciała (WBC). Aby uzyskać szczegółowe równania kontrolne, zapoznaj się z poprzednim work20.

5. Napisz program

  1. Użyj ST-LINK, aby zaimportować plik binarny (BIN) programu komunikacyjnego między MCU a silnikiem do płyty SPI.
    UWAGA: Płytka SPI służy jako moduł komunikacyjny między MCU a silnikami, z STM32 jako rdzeniem sterującym.
  2. Prześlij skompilowany program sterowania lokomocją-ruchem robota z komputera do MCU za pomocą Ethernet.

6. Uruchamianie modułu robota dwunożnego

  1. Ustaw robota w pozycji wyjściowej, jak pokazano na ilustracji (Rysunek 7A).
  2. Uruchom plik wykonywalny skompilowany z kodu sterującego na MCU.
  3. Wyślij polecenie stania do robota za pomocą pilota zdalnego sterowania (Rysunek 7B).
    UWAGA: Przyciski pilota można skonfigurować zgodnie z potrzebami. Zaleca się, aby joystick był używany do sterowania prędkością, a przyciski przełączały się między różnymi stanami.
  4. Aktywuj tryb lokomocji robota za pomocą pilota zdalnego sterowania (Rysunek 7C).
  5. Użyj joysticka pilota, aby manewrować robotem do przodu, do tyłu i kierować.

7. Uruchamianie modułowego, przekonfigurowanego robota czworonożnego

  1. Skonfiguruj routery dwóch modułów dwunożnych tak, aby znajdowały się w tym samym segmencie sieci.
  2. Ustanów rozproszoną strukturę sterowania opartą na Lightweight Communications and Marshalling (LCM)21.
  3. Zamontuj zmontowane elementy urządzenia łączącego na głowie robota dwunożnego.
  4. Ustaw dwa dwunożne moduły w stanie początkowym, jak określono i aktywuj siłę magnetyczną urządzenia łączącego.
  5. Uruchom oddzielnie programy wykonywalne dwóch modułów dwunożnych.
  6. Przekaż polecenie stania do robota za pomocą pilota.
  7. Aktywuj tryb lokomocji robota za pomocą pilota.
  8. Użyj joysticka pilota, aby manewrować robotem spawalniczym do przodu, do tyłu i kierować.

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

Wyniki

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

Aby sprawdzić skuteczność proponowanego systemu, przeprowadziliśmy testy chodzenia na świeżym powietrzu na wielu terenach. Początkowo jako obiekt testowy wybrano pojedynczy dwunożny moduł, a testy ruchu przeprowadzono zarówno na sztucznej trawie, jak i na syntetycznym torze. Jak pokazano na Rysunek 8, robot wykazał się stabilną lokomocją, na obu terenach. Dane dotyczące postawy i momentu obrotowego stawów robota podczas lokomocji są pokazane na Rysunek 9. Amplit...

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

Dyskusja

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

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

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

Autorzy oświadczają, że nie mają konkurencyjnych interesów finansowych.

Podziękowania

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

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

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

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

Przedruki i uprawnienia

Poproś o pozwolenie na ponowne wykorzystanie tekstu lub ilustracji tego artykułu JoVE

Poproś o pozwolenie

Tagi

Legged RobotsModular RoboticsReconfigurable RobotBipedal PlatformQuadrupedal RobotWhole Body ControlDistributed ControlTerrain AdaptabilityRobot LocomotionController Area Network
Film wkrótce dostępny

Powiązane artykuły