Методическая статья

Проектирование и управление высокодинамичной модульной реконфигурируемой роботизированной системой на ногах

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 мая 2025 г.

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

В этой статье

Краткое содержание

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

В этой статье мы представляем протокол, позволяющий новичкам воспроизвести высокодинамичную двуногую роботизированную систему и модульного четвероногого робота, состоящего из двуногих как самых маленьких единиц.

Аннотация

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

Ноженогие роботы обладают исключительной адаптивностью к местности, что делает их идеальной платформой для исследования на открытом воздухе и транспортировки грузов по сложным ландшафтам. Количество и конфигурация ног играют решающую роль в их работоспособности; Тем не менее, большинство современных конструкций являются монолитными, им не хватает гибкости для перенастройки. Протокол, представленный в этой статье, подробно описывает разработку и изготовление модульной роботизированной системы с ногами с надежными возможностями ходьбы и гибкой реконфигурацией между двуногими и четвероногими конфигурациями. Во-первых, различные функциональные модули механически собираются для завершения конструкции двуногой платформы и сборки модульного соединительного устройства. Впоследствии, используя программное обеспечение для отладки, мы настроили инерциальный измерительный блок и двигатели, включая набор идентификатора (ID) контроллера и сети CAN, скорость передачи данных и другие рабочие параметры, чтобы убедиться, что они находятся в правильном рабочем состоянии. Затем мы разработали стратегию управления всем телом и распределенную систему управления, чтобы обеспечить стабильную ходьбу двуногого устройства и скоординированное движение собранной конструкции соответственно. Наконец, мы проверили эффективность системы как на двуногих, так и на четвероногих, что позволило роботу добиться стабильной ходьбы на открытом воздухе.

Введение

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

Ножные роботы, использующие дискретный опорный механизм, демонстрируют превосходную адаптивность к местности и маневренность 1,2. В последние годы роботы с ногами были задействованы в таких сценариях, как спасательные и поисковые операции, достигнув благоприятных результатов 3,4,5. Одноногие роботы различных конфигураций обладают явными преимуществами для решения различных задач. Двуногие роботы, благодаря своей простой конструкции, могут перемещаться в узких пространствах, но имеют ограниченную грузоподъемность. Четвероногие роботы более сложны, но могут перевозить более тяжелые грузы и двигаться быстрее. Роботы с шестью и более ногами обеспечивают большую устойчивость, но их сложнее обслуживать. Тем не менее, существующие роботы с ножками обычно используют интегрированную конструкцию, характеризующуюся единой конфигурацией, которой не хватает гибкости для адаптации или переключения между различнымиконфигурациями. Такой подход к проектированию приводит к частому количеству неисправностей и создает значительные проблемы с техническим обслуживанием, поскольку отдельные точки отказа могут привести к сбою системы. В отличие от них, роботы, спроектированные с использованием концепции модульной сборки, могут легко перестраиваться в соответствии с различными требованиями задач 9,10. При столкновении с пересеченной местностью они могут повысить проходимость за счет увеличения количества опор или модулей11.

В настоящее время исследования роботов с модульными ногами все еще находятся на стадии подготовки, в первую очередь фокусируясь на небольших или миниатюрных платформах, которые в основном передвигаются ползком или скользя 11,12,13,14,15. Некоторые сборочные подмодули даже не имеют возможности самостоятельного перемещения и могут достичь мобильности только в сочетании16,17. Это затрудняет их развертывание в практических сценариях для таких задач, как транспортировка и разведка. Для решения этих проблем в данной статье предлагается роботизированная система с модульными ногами и гибкими возможностями мобильности. В отличие от предыдущих методов, ножки сборочных субмодулей в этой статье вдохновлены конфигурацией ног млекопитающих, обеспечивая возможности быстрого бега. Мы выбрали двуногого робота в качестве самого маленького модуля сращивания из-за его простой конструкции, стабильной способности ходить и более похожего на человеческий стиль ходьбы18,19.

Кроме того, некоторые из упомянутых выше модульных роботов с ножками используют защелки или крепежные элементы для соединения модулей12, ослабляя их возможности быстрого подключения и разъединения. Чтобы упростить процесс подключения и избежать использования зажимов и креплений, мы используем электромагнитный механизм крепления между модулями с контролируемой и гибкой активацией/деактивацией магнитной силы. Чтобы в полной мере использовать преимущества модульного робота на ногах, мы применяем подход распределенного управления для управления локомоцией робота, обсуждаемого в этой статье. Эффективность построенной системы и метода управления была подтверждена в ходе экспериментов на прототипах. Предлагаемая система может помочь в удовлетворении потребностей в крупномасштабной транспортировке материалов в неструктурированной местности или в быстрой разведке в неизвестных условиях.

Цель данного протокола состоит в том, чтобы подробно представить процесс проектирования и производства системы, описанной в этом документе, что позволит заинтересованным сторонам воспроизвести или создать роботов с аналогичной функциональностью для удовлетворения своих потребностей. Двуногий модуль в этой статье основан на нашей предыдущей работе. Мы установили на него стыковочный механизм и выполнили тонкую настройку параметра20.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Протокол

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

1. Конструкция машины

  1. Соберите рычажный механизм, корпус и кожух с помощью винтов и крепежных элементов, а затем подсоедините собранный рычажный механизм к шпоночному штифту выходного вала двигателя с помощью крепежных элементов (Рисунок 1).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Нога, которая состоит из рычажного механизма, двигателя, подшипников и т. д., является основным компонентом робота, отвечающим за его движение.
  2. Инициализируйте двигатели с помощью программного обеспечения, предоставленного производителем двигателя. Это включает в себя калибровку датчиков Холла и энкодеров.
  3. Закрепите две собранные ножки пластинами из углеродного волокна и соответствующими соединителями, чтобы создать двуногую конструкцию, как показано на рисунке (рис. 2).
  4. Зафиксируйте углепластиковую трубку с обеих сторон стыковочного устройства винтами и закрепите электромагнит в его центральном пазе (см. рисунок 3).

2. Сборка блока управления

  1. Соберите плату питания на основе принципиальной и физической схемы, показанной на рисунке 4.
  2. Расположите и закрепите модуль управления питанием, инерциальный измерительный блок (IMU), блок микроконтроллера (MCU) и другие компоненты в назначенных местах, как показано на рисунке (рис. 5).
  3. Подключите порт универсальной последовательной шины (USB) микроконтроллера к IMU с помощью разъема JT30-USB.
  4. Подключите порт Ethernet микроконтроллера к маршрутизатору с помощью кабеля Ethernet.
  5. Используйте проводку для подключения выключателя двигателя, переключателя MCU и главного выключателя к соответствующим интерфейсам на модуле управления питанием.
  6. Подключите интерфейсы CAN1 и CAN2 платы последовательного периферийного интерфейса (SPI) к интерфейсам CAN1 и CAN2 модуля управления питанием соответственно.
  7. Подключите все двигатели к интерфейсам питания и CAN на модуле управления питанием через соответствующие интерфейсы.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Двигатели левой ноги подключены к левому интерфейсу питания и CAN на модуле управления питанием через левый разъем на блоке управления; Аналогичным образом соединяется и правая сторона.

3. Отладка двигателей

  1. Откройте программное обеспечение для отладки двигателя. Подключите компьютер к отладочному мотору с помощью модуля USB-CAN.
  2. Назначьте CAN ID мотора. Установите значение ab/ad равным 1, бедру — 2, колену — 3.
  3. Установите нулевое положение стыка и положительное направление последовательно, как показано на рисунке 6.

4. Схема управления

  1. Установите соотношение кинематической передачи между звеньями робота, как задается как
    figure-protocol-1
    ПРИМЕЧАНИЕ: Ось z выравнивается по оси соединения i, в то время как ось выравнивается по общему перпендикуляру между осями соединения i и i + 1, направленному от соединения i к i + 1. Если оси пересекаются, xi перпендикулярен плоскости пересечения. ai-1 — угол поворота около xi-1 от zi-1 до zi; ai-1 — расстояние вдоль xi-1 от zi-1 до zi; θi — угол поворота около zi от xi-1 до xi; а di — расстояние вдоль zi от xi-1 до xi.
  2. Установите уравнение динамики всего тела, заданное как
    figure-protocol-2
    ПРИМЕЧАНИЕ: Jc и f c обозначают якобианскую матрицу, отображающую силы стопы на пространство в суставе и контактную силу стопы соответственно. M(q) — матрица инерции, figure-protocol-3 представляет центробежный и кориолисовый члены, а g(q) — гравитационная сила, действующая на робота.
  3. Установите уравнения для контроля равновесия всего тела.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Закон управления для двуногого модуля объединяет управление виртуальной моделью (VMC) и управление всем телом (WBC). Подробные уравнения управления см. в предыдущей работе20.

5. Напишите программу

  1. Используйте ST-LINK для импорта двоичного файла (BIN) программы связи между микроконтроллером и двигателем на плату SPI.
    ПРИМЕЧАНИЕ: Плата SPI служит в качестве модуля связи между микроконтроллером и двигателями, а STM32 является ядром управления.
  2. Передача скомпилированной программы управления передвижением робота с ПК на микроконтроллер по кабелю Ethernet.

6. Запуск модуля двуногого робота

  1. Установите робота в исходное положение, как показано на рисунке 7А.
  2. Запустите исполняемый файл, скомпилированный из управляющего кода на микроконтроллере.
  3. Отправьте команду на стенд роботу с помощью пульта дистанционного управления (рис. 7B).
    ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопки дистанционного управления можно настроить по мере необходимости. Рекомендуется использовать джойстик для управления скоростью, а кнопки переключаться между различными состояниями.
  4. Активируйте режим передвижения робота с помощью пульта дистанционного управления (рис. 7C).
  5. Используйте джойстик пульта дистанционного управления, чтобы маневрировать роботом вперед, назад и управлять автомобилем.

7. Запуск модульного перенастроенного четвероногого робота

  1. Настройте маршрутизаторы двух двуногих модулей так, чтобы они находились в одном сегменте сети.
  2. Создание распределенной структуры управления на основе облегченных систем связи и маршалинга (LCM)21.
  3. Установите собранные компоненты устройства сращивания на голову двуногого робота.
  4. Установите два двуногих модуля в исходное положение, как указано, и активируйте магнитную силу устройства для сращивания.
  5. Запускайте исполняемые программы двух двуногих модулей по отдельности.
  6. Передайте команду стоя роботу через пульт дистанционного управления.
  7. Активируйте режим передвижения робота с помощью пульта дистанционного управления.
  8. Используйте джойстик пульта дистанционного управления, чтобы маневрировать роботом для сращивания вперед, назад и поворачивать машину.

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Результаты

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

Чтобы проверить эффективность предложенной системы, мы провели испытания ходьбы на открытом воздухе на нескольких участках. Изначально в качестве испытуемого был выбран одиночный двуногий модуль, а тесты движения проводились как на искусственной траве, так и на синтетической трассе. Как показано на рисунке 8, робот продемонстрировал стабильное передвижение на обеих участках местности. Данные о положении и крутящем моменте в суставах робота во время передвижения показаны на

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Обсуждение

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

Предложенный в данной статье модульный робот с ножками предлагает новый взгляд на конструкцию робота на ногах, где реконфигурация и скоординированное движение достигаются за счет комбинации нескольких распределенных модулей ног. Этот подход, представленный в данной статье, был экспериментально проверен, подтвердив его способность к изменению конфигурации и скоординированному движению. Разделы 1, 2, 4 и 5 настоящего протокола представляют собой критические этапы реализации данного проекта...

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Раскрытие информации

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

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Благодарности

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

Авторы выражают свою благодарность г-ну Сяньву Цзэну за его помощь в проведении экспериментов, описанных в данной статье. Эта работа была частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (62373223) и Фондом естественных наук провинции Шаньдун (ZR2024ZD06).

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Материалы

Список материалов, использованных в этой статье
ИмяКомпанияКаталожный номерКомментарии
АккумуляторYOBOTICShttps://yobotics.cn/
ЭлектромагнитKaka ElectricH25
Электронный компонентJLChttps://yobotics.cn/Включая часто используемые компоненты, такие как резисторы, конденсаторы, катушки индуктивности и т.д
IMULORD3DM-GX5-45 
МоторYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Модуль управления питаниемJLCP1
Пульт дистанционного управленияLedihttps://yobotics.cn/
МаршрутизаторlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Услуги 3D-печатиконструкционных деталейН/ДМ1-1, М1-2, М1-3, М1-4, М1-5, М1-6, У1, У2, ЛХ1, ЛХ2, ЛХ3, ЛХ4
.

Ссылки

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

Доступ ограничен. Войдите в систему или начните пробный период, чтобы просмотреть этот контент.

Перепечатки и разрешения

Запросить разрешение на повторное использование текста или иллюстраций этой статьи JoVE

Запросить разрешение

Теги

CAN
Видео скоро будет доступно

Похожие статьи