Yöntem makalesi

Yüksek Dinamik Modüler Yeniden Yapılandırılabilir Ayaklı Robotik Sistem Tasarımı ve Kontrolü

DOI:

10.3791/68092

⸱

30 Mayıs 2025

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

Bu makalede

Özet

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

Burada, yeni başlayanların son derece dinamik bir iki ayaklı robotik sistemi ve en küçük birimler olarak iki ayaklılardan oluşan modüler dört ayaklı bir robotu kopyalamalarını sağlayacak bir protokol sunuyoruz.

Özet

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

Bacaklı robotlar, olağanüstü arazi uyarlanabilirliğine sahiptir ve bu da onları karmaşık arazilerde açık hava keşif ve kargo taşımacılığı için ideal bir platform haline getirir. Bacakların sayısı ve konfigürasyonu performanslarında çok önemli bir rol oynar; Bununla birlikte, mevcut tasarımların çoğu monolitiktir ve yeniden yapılandırma esnekliğinden yoksundur. Bu belgede sunulan protokol, sağlam yürüme özelliklerine ve iki ayaklı ve dört ayaklı konfigürasyonlar arasında esnek yeniden yapılandırmaya sahip modüler bacaklı bir robot sisteminin tasarımını ve üretimini detaylandırmaktadır. İlk olarak, iki ayaklı platformun yapımını ve modüler bağlantı cihazının montajını tamamlamak için çeşitli fonksiyonel modüller mekanik olarak monte edilir. Daha sonra, hata ayıklama yazılımını kullanarak, doğru çalışma durumunda olduklarından emin olmak için ayarlanmış denetleyici alan ağı (CAN), kimlik (ID), baud hızı ve diğer çalışma parametreleri dahil olmak üzere atalet ölçüm birimini ve motorları yapılandırdık. Ardından, iki ayaklı ünitenin dengeli bir şekilde yürümesini ve monte edilen yapının koordineli hareketini sağlamak için bir tüm vücut kontrol stratejisi ve dağıtılmış bir kontrol çerçevesi tasarladık. Son olarak, sistemin hem iki ayaklı hem de dört ayaklı konfigürasyonlardaki etkinliğini doğruladık ve robotun istikrarlı bir açık hava yürüyüşü elde etmesini sağladık.

Giriş

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

Ayrı bir destek mekanizması kullanan bacaklı robotlar, üstün arazi adaptasyonu ve çeviklik sergiler 1,2. Son yıllarda, bacaklı robotlar kurtarma ve arama operasyonları gibi senaryolarda konuşlandırıldı ve olumlu sonuçlar elde edildi 3,4,5. Çeşitli konfigürasyonlara sahip bacaklı robotlar, farklı görevler için belirgin avantajlar sunar. İki ayaklı robotlar, basit tasarımları ile dar alanlarda gezinebilir ancak sınırlı yük kapasitesine sahiptir. Dört ayaklı robotlar daha karmaşıktır ancak daha ağır yükler taşıyabilir ve daha hızlı hareket edebilir. Altı veya daha fazla bacağı olan robotlar daha fazla stabilite sağlar ancak bakımı daha zordur. Bununla birlikte, mevcut bacaklı robotlar genellikle, farklı konfigürasyonlara uyum sağlama veya bunlar arasında geçiş yapma esnekliğinden yoksun tekil bir konfigürasyon ile karakterize edilen entegre bir tasarım kullanır 6,7,8. Bu tasarım yaklaşımı, yüksek hata insidansına neden olur ve tek arıza noktaları sistemin çökmesine yol açabileceğinden, önemli bakım zorlukları sunar. Buna karşılık, modüler montaj konseptiyle tasarlanan robotlar, farklı görev gereksinimlerini karşılamak için kolayca yeniden yapılandırılabilir 9,10. Engebeli araziyle karşı karşıya kaldıklarında, bacak veya modülsayısını 11 artırarak hareket kabiliyetlerini artırabilirler.

Şu anda, modüler bacaklı robotlar üzerine yapılan araştırmalar hala keşif aşamasındadır ve öncelikle esas olarak sürünerek veya kayarak hareket eden küçük veya minyatür bacaklı platformlara odaklanmaktadır 11,12,13,14,15. Bazı montaj alt modülleri bağımsız hareket yeteneklerinden bile yoksundur ve yalnızca bir araya getirildiğinde hareketlilik sağlayabilir16,17. Bu, nakliye ve keşif gibi görevler için pratik senaryolarda konuşlandırılmalarını zorlaştırır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için bu makale, esnek mobilite yeteneklerine sahip modüler bacaklı bir robotik sistem önermektedir. Önceki yöntemlerden farklı olarak, bu belgedeki montaj alt modüllerinin bacakları, memeli bacağı konfigürasyonundan esinlenerek hızlı çalışma yetenekleri sağlar. Basit yapısı, stabil yürüme kabiliyeti ve daha insan benzeri yürüme tarzı18,19 nedeniyle iki ayaklı robotu en küçük ekleme modülü olarak seçiyoruz.

Ek olarak, yukarıda bahsedilen modüler bacaklı robotlardan bazıları, modülleri12 bağlamak için mandallar veya bağlantı elemanları kullanır, bu da hızlı bağlantı ve bağlantı kesme yeteneklerini zayıflatır. Bağlantı sürecini basitleştirmek ve klips ve bağlantı elemanlarının kullanılmasını önlemek için, manyetik kuvvetin kontrol edilebilir ve esnek bir şekilde etkinleştirilmesi/devre dışı bırakılması ile modüller arasında bir elektromanyetik bağlantı mekanizması kullanıyoruz. Modüler bacaklı robotun avantajlarından tam olarak yararlanmak için, bu yazıda tartışılan robotun hareketini yönetmek için dağıtılmış bir kontrol yaklaşımı kullanıyoruz. İnşa edilen sistemin ve kontrol yönteminin etkinliği prototip deneyler ile doğrulanmıştır. Önerilen sistem, yapılandırılmamış arazilerde büyük ölçekli malzeme taşımacılığı veya bilinmeyen ortamlarda hızlı keşif ihtiyaçlarının karşılanmasına yardımcı olabilir.

Bu protokolün amacı, bu yazıda açıklanan sistemin tasarım ve üretim sürecini kapsamlı bir şekilde sunmak ve ilgili tarafların ihtiyaçlarını karşılamak için benzer işlevselliğe sahip robotları çoğaltmalarını veya oluşturmalarını sağlamaktır. Bu makaledeki iki ayaklı modül, önceki çalışmalarımıza dayanmaktadır. Üzerine bir yerleştirme mekanizması kurduk ve parametre ince ayarını20 gerçekleştirdik.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Protokol

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

1. Makinenin yapımı

  1. Vidaları ve bağlantı elemanlarını kullanarak bağlantıyı, muhafazayı ve baldırı monte edin ve ardından monte edilen bağlantıyı, bağlantı elemanlarını kullanarak motor çıkış milinin anahtar pimine bağlayın (Şekil 1).
    NOT: Bağlantıyı, motoru, yatakları vb. içeren bacak, robotun hareketinden sorumlu birincil bileşenidir.
  2. Motor üreticisi tarafından sağlanan yazılımı kullanarak motorları başlatın. Bu, Hall sensörlerinin ve kodlayıcıların kalibrasyonunu içerir.
  3. Şekilde gösterildiği gibi iki ayaklı bir yapı oluşturmak için monte edilmiş iki ayağı karbon fiber plakalar ve uygun konektörlerle sabitleyin (Şekil 2).
  4. Karbon fiber boruyu yerleştirme cihazının her iki tarafına vidalarla sabitleyin ve elektromıknatısı merkezi oluğuna sabitleyin (bkz. Şekil 3).

2. Kontrol kutusunun oluşturulması

  1. Güç kartını Şekil 4'te gösterilen devre şeması ve fiziksel şemasına göre monte edin.
  2. Güç yönetimi modülünü, atalet ölçüm birimini (IMU), mikrodenetleyici birimini (MCU) ve diğer bileşenleri gösterildiği gibi belirlenen konumlarına yerleştirin ve emniyete alın (Şekil 5).
  3. MCU'nun evrensel seri veri yolu (USB) bağlantı noktasını JT30-USB konektörünü kullanarak IMU'ya bağlayın.
  4. MCU'nun Ethernet bağlantı noktasını bir Ethernet kablosu kullanarak yönlendiriciye bağlayın.
  5. Motor anahtarını, MCU anahtarını ve ana anahtarı güç yönetimi modülündeki ilgili arayüzlerine bağlamak için kabloları kullanın.
  6. Seri çevre arabirimi (SPI) kartının CAN1 ve CAN2 arabirimlerini sırasıyla güç yönetimi modülünün CAN1 ve CAN2 arabirimlerine bağlayın.
  7. Tüm motorları, ilgili arayüzleri aracılığıyla güç yönetimi modülündeki güç ve CAN arayüzlerine bağlayın.
    NOT: Sol bacağın motorları, kontrol kutusundaki sol taraftaki konektör aracılığıyla güç yönetimi modülündeki sol taraftaki güç ve CAN arayüzlerine bağlanır; Sağ taraf da benzer şekilde bağlanmıştır.

3. Motorlarda hata ayıklama

  1. Motor hata ayıklama yazılımını açın. Bilgisayarı bir USB-CAN modülü ile hata ayıklama motoruna bağlayın.
  2. Motorun CAN ID'sini atayın. ab/ad değerini 1'e, kalçayı 2'ye ve diz değerini 3'e ayarlayın.
  3. Eklem sıfır konumunu ve pozitif yönünü Şekil 6'da gösterildiği gibi sırayla ayarlayın.

4. Kontrol şeması

  1. Robotun bağlantıları arasındaki kinematik iletim ilişkisini şu şekilde verilir:
    figure-protocol-1
    NOT: Z ekseni eklem ekseni i ile hizalanırken, eksen eklem eksenleri i ve i + 1 arasındaki ortak dik boyunca hizalanır ve eklem i'den i + 1'e yönlendirilir. Eksenler kesişirse, xi kesişme düzlemine diktir. AI-1, Z I-1'den Z I'ye x I-1 etrafındaki dönüş açısıdır; AI-1, XI-1 boyunca ZI-1'den ZI'ye olan mesafedir; θI, XI-1'den XI'ye kadar ZI etrafındaki dönüş açısıdır; ve di, z i boyunca x i-1'den xi'ye olan mesafedir.
  2. tarafından verilen tam vücut dinamik denklemini kurun
    figure-protocol-2
    NOT: JC ve fc, sırasıyla ayak kuvvetlerini eklem boşluğuna ve ayak temas kuvvetine eşleyen Jacobian matrisini belirtir. M(q) atalet matrisidir, figure-protocol-3 merkezkaç ve Coriolis terimlerini temsil eder ve g(q) robot üzerindeki yerçekimi kuvvetidir.
  3. Tüm vücut dengesi kontrol denklemlerini kurar.
    NOT: İki ayaklı modülün kontrol yasası, sanal model kontrolünü (VMC) ve tüm vücut kontrolünü (WBC) entegre eder. Ayrıntılı kontrol denklemleri için, önceki bir çalışmayabakın 20.

5. Programı yazın

  1. MCU ile motor arasındaki iletişim programının ikili (BIN) dosyasını SPI kartına aktarmak için ST-LINK'i kullanın.
    NOT: SPI kartı, kontrol çekirdeği olarak STM32 ile MCU ve motorlar arasında iletişim modülü görevi görür.
  2. Derlenmiş robot hareket kontrol programını bir Ethernet kablosu aracılığıyla PC'den MCU'ya iletin.

6. İki ayaklı robot modülünün başlatılması

  1. Robotu şekilde gösterildiği gibi başlangıç duruşuna ayarlayın (Şekil 7A).
  2. MCU'daki kontrol kodundan derlenen yürütülebilir dosyayı başlatın.
  3. Uzaktan kumandayı kullanarak robota stand komutunu gönderin (Şekil 7B).
    NOT: Uzaktan kumanda düğmeleri gerektiği gibi yapılandırılabilir. Hızı kontrol etmek için joystick'in kullanılması ve düğmelerin farklı durumlar arasında geçiş yapması önerilir.
  4. Uzaktan kumanda ile robotun hareket modunu etkinleştirin (Şekil 7C).
  5. Robotu ileri, geri manevra yapmak ve yönlendirmek için uzaktan kumandanın joystick'ini kullanın.

7. Modüler yeniden yapılandırılmış dört ayaklı robotun çalıştırılması

  1. İki iki ayaklı modülün yönlendiricilerini aynı ağ segmentinde olacak şekilde yapılandırın.
  2. Hafif İletişim ve Marshalling'e (LCM) dayalı dağıtılmış kontrol çerçevesini oluşturun21.
  3. Monte edilmiş ekleme cihazı bileşenlerini iki ayaklı robotun kafasına takın.
  4. İki iki ayaklı modülü belirtildiği gibi başlangıç durumuna getirin ve ekleme cihazının manyetik kuvvetini etkinleştirin.
  5. İki iki ayaklı modülün yürütülebilir programlarını ayrı ayrı başlatın.
  6. Ayakta durma komutunu uzaktan kumanda ile robota iletin.
  7. Uzaktan kumanda ile robotun hareket modunu etkinleştirin.
  8. Birleştirme robotunu ileri, geri manevra yapmak ve yönlendirmek için uzaktan kumandanın joystick'ini kullanın.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Sonuçlar

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

Önerilen sistemin etkinliğini doğrulamak için, birden fazla arazide açık havada yürüyüş testleri gerçekleştirdik. Başlangıçta, denek olarak tek bir iki ayaklı modül seçildi ve hem suni çim hem de sentetik bir pist üzerinde hareket testleri yapıldı. Şekil 8'de gösterildiği gibi, robot her iki arazide de dengeli hareket gösterdi. Robotun hareket sırasındaki duruşu ve eklem torku verileri Şekil 9'da gösterilmiştir. Robotun yuvarlanma ve eğim açısı dalgalanmalarının...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Tartışma

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

Bu yazıda önerilen modüler bacaklı robot, birden fazla dağıtılmış bacak modülünün kombinasyonu yoluyla yeniden yapılandırma ve koordineli hareketin sağlandığı bacaklı robot tasarımına yeni bir bakış açısı sunmaktadır. Bu yazıda sunulan bu yaklaşım deneysel olarak doğrulanmıştır ve konfigürasyonun yeniden yapılandırılması ve koordineli hareket kabiliyeti teyit edilmiştir. Bu protokoldeki 1, 2, 4 ve 5 numaralı bölümler, hem robotun mekanik yapısının hem de elektrik kontrol sisteminin geliş...

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Açıklamalar

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

Yazarlar, rekabet eden herhangi bir mali çıkarları olmadığını beyan ederler.

Teşekkürler

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

Yazarlar, bu makalede bildirilen deneylerin gerçekleştirilmesindeki yardımları için Bay Xianwu Zeng'e şükranlarını sunarlar. Bu çalışma kısmen Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (62373223) ve Shandong Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (ZR2024ZD06) tarafından desteklenmiştir.

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Malzemeler

Bu makalede kullanılan malzemelerin listesi
AdŞirketKatalog numarasıYorumlar
PilYOBOTICShttps://yobotics.cn/
ElektromıknatısKaka ElectricH25
Elektronik bileşenJLChttps://yobotics.cn/Dirençler, kapasitörler, indüktörler vb. gibi yaygın olarak kullanılan bileşenler dahil
IMULORD3DM-GX5-45 
MotorYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Güç Yönetim ModülüJLCP1
Uzaktan kumandaLedihttps://yobotics.cn/
RouterlinwlanGX30
SPIYOBOTICShttps://yobotics.cn/
Yapısal parçalar3D baskı hizmetiN/AM1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2, LX3, LX4

Kaynaklar

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

Erişim kısıtlı. Bu içeriği görüntülemek için lütfen giriş yapın veya deneme sürümünü başlatın.

Yeniden basım ve izinler

Bu JoVE makalesinin metnini veya şekillerini yeniden kullanmak için izin iste

İzin iste

Etiketler

Legged RobotsModular RoboticsReconfigurable RobotBipedal PlatformQuadrupedal RobotWhole Body ControlDistributed ControlTerrain AdaptabilityRobot LocomotionController Area Network
Video yakında

İlgili makaleler