تصميم والتحكم في نظام آلي ذو أرجل معياري عالي الديناميكية قابل لإعادة التكوين

هنا ، نقدم بروتوكولا لتمكين المبتدئين من تكرار نظام آلي ذو قدمين ديناميكية للغاية وروبوت معياري رباعي الأرجل يتكون من قدمين كأصغر وحدات.

تمتلك الروبوتات ذات الأرجل قدرة استثنائية على التكيف مع التضاريس ، مما يجعلها منصة مثالية للاستكشاف في الهواء الطلق ونقل البضائع عبر التضاريس المعقدة. يلعب عدد الأرجل وتكوينها دورا مهما في أدائها. ومع ذلك ، فإن معظم التصاميم الحالية متجانسة ، وتفتقر إلى المرونة لإعادة التكوين. يوضح البروتوكول المقدم في هذه الورقة بالتفصيل تصميم وتصنيع نظام روبوت معياري ذو أرجل مع قدرات مشي قوية وإعادة تكوين مرنة بين التكوينات ذات قدمين ورباعي الأرجل. أولا ، يتم تجميع العديد من الوحدات الوظيفية ميكانيكيا لإكمال بناء المنصة ذات القدمين وتجميع جهاز التوصيل المعياري. بعد ذلك ، باستخدام برنامج تصحيح الأخطاء ، قمنا بتكوين وحدة القياس بالقصور الذاتي والمحركات ، بما في ذلك هوية شبكة منطقة التحكم (CAN) المحددة (ID) ، ومعدل الباود ، ومعلمات العمل الأخرى للتأكد من أنها في حالة العمل الصحيحة. بعد ذلك ، قمنا بتصميم استراتيجية تحكم لكامل الجسم وإطار تحكم موزع لضمان المشي المستقر للوحدة ذات القدمين والحركة المنسقة للهيكل المجمع ، على التوالي. أخيرا ، تحققنا من فعالية النظام على كل من التكوينات ذات قدمين ورباعية الأرجل ، مما مكن الروبوت من تحقيق مشي مستقر في الهواء الطلق.

تظهر الروبوتات ذات الأرجل ، التي تستخدم آلية دعم منفصلة ، قدرة فائقة على التكيف مع التضاريس وخفة الحركة^1،2. في السنوات الأخيرة ، تم نشر الروبوتات ذات الأرجل في سيناريوهات مثل عمليات الإنقاذ والبحث ، مما حقق نتائج إيجابية^3،4،5. توفر الروبوتات ذات الأرجل ذات التكوينات المختلفة مزايا مميزة لمهام مختلفة. يمكن للروبوتات ذات القدمين ، بتصميمها البسيط ، التنقل في المساحات الضيقة ولكن سعة التحميل المحدودة. تعتبر الروبوتات رباعية الأرجل أكثر تعقيدا ولكن يمكنها حمل أحمال أثقل وتتحرك بشكل أسرع. توفر الروبوتات ذات الستة أرجل أو أكثر مزيدا من الثبات ولكن يصعب صيانتها. ومع ذلك ، تستخدم الروبوتات ذات الأرجل الحالية عموما تصميما متكاملا يتميز بتكوين فردي يفتقر إلى المرونة للتكيف أو التبديل بين التكوينات المختلفة^6،7،8. ينتج عن نهج التصميم هذا ارتفاع معدل حدوث الأعطال ويمثل تحديات صيانة كبيرة ، حيث قد تؤدي نقاط الفشل الفردية إلى انهيار النظام. في المقابل ، يمكن للروبوتات المصممة بمفهوم التجميع المعياري إعادة التكوين بسهولة لتلبية متطلبات المهام المختلفة^9،10. عند مواجهة التضاريس الوعرة ، يمكنهم تعزيز قابليتها للعبور عن طريق زيادة عدد الأرجل أو الوحدات¹¹.

حاليا ، لا يزال البحث عن الروبوتات ذات الأرجل المعيارية في المرحلة الاستكشافية ، مع التركيز بشكل أساسي على المنصات الصغيرة أو المصغرة ذات الأرجل ، والتي تتحرك بشكل أساسي عن طريق الزحف أو الانزلاق^{11،12،13،14،15}. حتى أن بعض وحدات التجميع الفرعية تفتقر إلى قدرات الحركة المستقلة ولا يمكنها تحقيق التنقل إلا عند دمجها^16,17. هذا يجعل من الصعب نشرها في سيناريوهات عملية لمهام مثل النقل والاستطلاع. لمواجهة هذه التحديات ، تقترح هذه الورقة نظاما آليا معياريا ذو أرجل معيارية مع قدرات تنقل مرنة. بخلاف الطرق السابقة ، فإن أرجل الوحدات الفرعية للتجميع في هذه الورقة مستوحاة من تكوين أرجل الثدييات ، مما يوفر قدرات تشغيل سريعة. نختار الروبوت ذو القدمين كأصغر وحدة ربط نظرا لهيكله البسيط ، وقدرته على المشي المستقر ، وأسلوب المشي الأكثر شبها بالإنسان^18،19.

بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم بعض الروبوتات ذات الأرجل المعيارية المذكورة أعلاه مزالج أو مثبتات لتوصيل الوحدات¹² ، مما يضعف قدرات الاتصال والفصل السريع. لتبسيط عملية الاتصال وتجنب استخدام المشابك والسحابات ، نستخدم آلية ربط كهرومغناطيسية بين الوحدات ، مع تنشيط / إلغاء تنشيط يمكن التحكم فيه ومرنه للقوة المغناطيسية. للاستفادة الكاملة من مزايا الروبوت المعياري ذو الأرجل ، نستخدم نهج التحكم الموزع لإدارة حركة الروبوت الذي تمت مناقشته في هذه الورقة. تم التحقق من فعالية النظام الذي تم إنشاؤه وطريقة التحكم من خلال تجارب النموذج الأولي. ويمكن أن يساعد النظام المقترح في تلبية احتياجات نقل المواد على نطاق واسع في التضاريس غير المهيكلة أو الاستطلاع السريع في بيئات غير معروفة.

الهدف من هذا البروتوكول هو تقديم عملية تصميم وتصنيع النظام الموصوف في هذه الورقة بدقة ، مما يمكن الأطراف المهتمة من تكرار أو إنشاء روبوتات ذات وظائف مماثلة لتلبية احتياجاتهم. تستند الوحدة ذات قدمين في هذه الورقة إلى عملنا السابق. لقد قمنا بتثبيت آلية إرساء عليها وقمنا بضبط المعلمة^{بدقة 20}.

1. بناء الجهاز

1. قم بتجميع الوصلة والمبيت والساق باستخدام البراغي والسحابات ، ثم قم بتوصيل الوصلة المجمعة بدبوس مفتاح عمود إخراج المحرك باستخدام السحابات (الشكل 1).
   ملاحظة: الساق ، التي تتكون من الوصلة ، والمحرك ، والمحامل ، وما إلى ذلك ، هي المكون الأساسي للروبوت المسؤول عن حركته.
2. قم بتهيئة المحركات باستخدام البرنامج المقدم من الشركة المصنعة للمحرك. يتضمن ذلك معايرة مستشعرات Hall وأجهزة التشفير.
3. اربط الساقين المجمعين بألواح من ألياف الكربون والموصلات المناسبة لإنشاء هيكل ذو قدمين ، كما هو موضح (الشكل 2).
4. قم بتثبيت أنبوب ألياف الكربون على جانبي جهاز الإرساء بمسامير وقم بتأمين المغناطيس الكهربائي في أخدوده المركزي (انظر الشكل 3).

2. بناء صندوق التحكم

1. قم بتجميع لوحة الطاقة بناء على الرسم التخطيطي والمادي للدائرة الموضح في الشكل 4.
2. ضع وحدة إدارة الطاقة ووحدة القياس بالقصور الذاتي (IMU) ووحدة التحكم الدقيقة (MCU) والمكونات الأخرى وقم بتأمينها في مواقعها المخصصة كما هو موضح (الشكل 5).
3. قم بتوصيل منفذ الناقل التسلسلي العالمي (USB) الخاص بوحدة التحكم في الدقيقة (MCU) بوحدة التحكم في الحركة الدولية باستخدام موصل JT30-USB.
4. قم بتوصيل منفذ Ethernet الخاص ب MCU بالموجه باستخدام كبل Ethernet.
5. استخدم الأسلاك لتوصيل مفتاح المحرك ومفتاح MCU والمفتاح الرئيسي بالواجهات المقابلة لها في وحدة إدارة الطاقة.
6. قم بتوصيل واجهات CAN1 وCAN2 للوحة الواجهة الطرفية التسلسلية (SPI) بواجهات CAN1 وCAN2 لوحدة إدارة الطاقة، على التوالي.
7. اربط جميع المحركات بواجهات الطاقة و CAN على وحدة إدارة الطاقة عبر الواجهات المقابلة لها.
   ملاحظة: ترتبط محركات الساق اليسرى بواجهات الطاقة والعلبة على الجانب الأيسر على وحدة إدارة الطاقة عبر الموصل الأيسر في صندوق التحكم ؛ الجانب الأيمن متصل بالمثل.

3. تصحيح أخطاء المحركات

1. افتح برنامج تصحيح أخطاء المحرك. قم بتوصيل الكمبيوتر بمحرك تصحيح الأخطاء باستخدام وحدة USB-CAN.
2. قم بتعيين معرف CAN للمحرك. اضبط قيمة ab / ad على 1 ، والورك على 2 ، والركبة على 3.
3. اضبط موضع المفصل الصفري والاتجاه الموجب بالتتابع ، كما هو موضح في الشكل 6.

4. مخطط التحكم

1. إنشاء علاقة النقل الحركية بين روابط الروبوت كما هو موضح في
   
   ملاحظة: يتماشى المحور z مع محور المفصل i بينما يتماشى المحور على طول العمودي المشترك بين محوري المفصل i و i + 1 ، موجه من المفصل i إلى i + 1. إذا تقاطعت المحاور ، فإن x_i عموديا على مستوى التقاطع. أ_I-1 هي زاوية الدوران حول x_i-1 من z_i-1 إلى z_i ؛ أ_I-1 هي المسافة على طول x_i-1 من z_i-1 إلى z_i ؛ θ_i هي زاوية الدوران حوالي z_i من x_i-1 إلى x_i ؛ و di هي المسافة على طول z_i من x_i-1 إلى x_i.
2. إنشاء معادلة ديناميكية لكامل الجسم مقدمة من
   
   ملاحظة: يشير J_c و f_c إلى المصفوفة اليعقوبية التي ترسم خرائط لقوى القدم إلى الفضاء المشترك وقوة التلامس بالقدم ، على التوالي. M (q) هي مصفوفة القصور الذاتي ، وتمثل مصطلحات الطرد المركزي وكوريوليس ، و g (q) هي قوة الجاذبية على الروبوت.
3. إنشاء معادلات التحكم في توازن الجسم بالكامل.
   ملاحظة: يدمج قانون التحكم في الوحدة النمطية ذات قدمين التحكم في النموذج الافتراضي (VMC) والتحكم في الجسم بالكامل (WBC). للحصول على معادلات تحكم مفصلة ، راجع عمل سابق²⁰.

5. اكتب البرنامج

1. استخدم ST-LINK لاستيراد الملف الثنائي (BIN) لبرنامج الاتصال بين MCU والمحرك إلى لوحة SPI.
   ملاحظة: تعمل لوحة SPI كوحدة اتصال بين MCU والمحركات ، مع STM32 كنواة تحكم.
2. انقل برنامج التحكم في حركة الروبوت المترجم من الكمبيوتر إلى MCU عبر كابل Ethernet.

6. بدء تشغيل وحدة الروبوت ذات القدمين

1. اضبط الروبوت على الوضع الأولي ، كما هو موضح (الشكل 7 أ).
2. قم بتشغيل الملف القابل للتنفيذ الذي تم تجميعه من التعليمات البرمجية للتحكم على MCU.
3. أرسل أمر الحامل إلى الروبوت باستخدام جهاز التحكم عن بعد (الشكل 7 ب).
   ملاحظة: يمكن تكوين أزرار جهاز التحكم عن بعد حسب الحاجة. يوصى باستخدام عصا التحكم للتحكم في السرعة وتبديل الأزرار بين الحالات المختلفة.
4. قم بتنشيط وضع حركة الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد (الشكل 7C).
5. استخدم عصا التحكم في جهاز التحكم عن بعد لمناورة الروبوت للأمام والخلف والتوجيه.

7. بدء الروبوت رباعي الأرجل المعياري المعاد تشكيله

1. قم بتكوين الموجهات الخاصة بالوحدتين الوحدتين لتكون على نفس مقطع الشبكة.
2. إنشاء إطار عمل التحكم الموزع على أساس الاتصالات الخفيفة والتنظيم (LCM)²¹.
3. قم بتثبيت مكونات جهاز الربط المجمعة على رأس الروبوت ذو القدمين.
4. ضع الوحدتين على قدمين في الحالة الأولية كما هو محدد وقم بتنشيط القوة المغناطيسية لجهاز الربط.
5. قم بتشغيل البرامج القابلة للتنفيذ للوحدتين على قدمين بشكل منفصل.
6. انقل الأمر الدائم إلى الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد.
7. قم بتنشيط وضع حركة الروبوت عبر جهاز التحكم عن بعد.
8. استخدم عصا التحكم في جهاز التحكم عن بعد لمناورة روبوت الربط للأمام والخلف والتوجيه.

للتحقق من فعالية النظام المقترح ، أجرينا اختبارات المشي في الهواء الطلق على تضاريس متعددة. في البداية ، تم اختيار وحدة واحدة ذات قدمين كموضوع اختبار ، وتم إجراء اختبارات الحركة على كل من العشب الصناعي والمسار الاصطناعي. كما هو موضح في الشكل 8 ، أظهر الروبوت حركة مستقرة على كلا التضاريس. يتم عرض بيانات الموقف وعزم الدوران المشترك للروبوت أثناء الحركة في الشكل 9. تظل سعة تقلبات زاوية الدوران والميل للروبوت في حدود 0.04 راد (المرجع هو 0) ، مما يشير إلى قدرته اللائقة في التحكم في الموقف. من ناحية أخرى ، لا تظهر بيانات عزم الدوران المشترك أي ارتفاعات حادة أو مواطن الخلل ، مع انتقالات سلسة نسبيا ، مما يؤكد بشكل أكبر التشغيل المستقر للروبوت مع اهتزاز طفيف فقط.

في تجربة إعادة التكوين (الشكل 11) ، قمنا بتجميع روبوت مركب رباعي الأرجل باستخدام وحدتين على قدمين وقمنا بالتحكم فيه لتحقيق حركة متعددة الاتجاهات من خلال نهج التحكم الموزع. تم تحقيق التبديل الديناميكي بين التكوينات ذات القدمين والرباعي بنجاح من خلال التحكم عن بعد في تنشيط وإلغاء تنشيط قوة التصاق الجهاز الكهرومغناطيسي. في حقل الثلج الموضح في الشكل 11 ب ، تتعرض وحدة واحدة ذات قدمين أحيانا للانزلاق وعدم الاستقرار. ومع ذلك ، عندما يتم الجمع بين الوحدتين ، يتم تعزيز الاستقرار العام ، مما يسمح بحركة مستقرة في الثلج.

الشكل 1: بناء الساق. (أ) قم بتجميع وصلات الساق والسحابات. (ب) دمج المحرك في الوصل. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 2: تركيب الهيكل ذو قدمين. (أ) لوحة ألياف الكربون والموصلات المستخدمة للتثبيت. (ب) هيكل الطرف السفلي المجمع. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 3: تركيب جهاز الربط. (أ) مكونات آلية الربط. (ب) آلية الربط المجمعة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 4: تجميع وحدة إدارة الطاقة. (أ) الرسم التخطيطي لوحدة إدارة الطاقة. (ب) الصورة المادية للوحدة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 5: مخطط الهيكل الداخلي لصندوق التحكم. (أ) الأجزاء الداخلية. (ب) الرسم التخطيطي لتوصيلات الكهرباء. (ج) التكامل المادي لصندوق التحكم. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 6: تخطيطي لموضع الصفر المشترك للروبوت. q_i يشير إلى درجات الحرية النشطة في أرجل الروبوت بينما يمثل L_i أطوال الروابط المعنية. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 7: إجراء بدء تشغيل الروبوت. (أ) تم وضعه في الوضع الأولي. (ب) تحكم في الروبوت للوقوف في وضع مستقيم. (ج) قم بتنشيط وضع الحركة. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 8: الحركة الخارجية للوحدة ذات قدمين. (أ) لقطات للروبوت ذو القدمين وهو يمشي بثبات على العشب الصناعي. (ب) لقطات من الحركة الأمامية للروبوت ذو قدمين على مسار اصطناعي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 9: البيانات المسجلة من التجارب على قدمين في الهواء الطلق. (أ) بيانات المشي على العشب الصناعي. (ب) بيانات المشي على مسار اصطناعي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 10: مخطط كتلة لنظام التحكم الموزع لروبوت الاقتران المعياري. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

الشكل 11: تجربة الحركة الخارجية لتبديل التكوين. (أ) تجربة حركة التكوين رباعي الأرجل في الأراضي العشبية. (ب) تجربة حركة الثلج ذات التكوين الرباعي. الرجاء النقر هنا لعرض نسخة أكبر من هذا الرقم.

يقدم الروبوت المعياري ذو الأرجل المقترحة في هذه الورقة منظورا جديدا لتصميم الروبوت ذو الأرجل ، حيث يتم إعادة التكوين والحركة المنسقة من خلال الجمع بين وحدات أرجل موزعة متعددة. تم التحقق من صحة هذا النهج المقدم في هذه الورقة تجريبيا ، مما يؤكد قدرته على إعادة تشكيل التكوين والحركة المنسقة. تمثل الأقسام 1 و 2 و 4 و 5 في هذا البروتوكول المراحل الحرجة في تنفيذ هذا التصميم ، والتي تغطي تطوير كل من الهيكل الميكانيكي للروبوت ونظام التحكم الكهربائي.

هناك طلب متزايد على الروبوتات ذات الأرجل ذات الثبات العالي وقدرة التحميل الثقيل في التطبيقات العملية. على سبيل المثال ، في سيناريوهات الإنقاذ في حالات الكوارث ، يجب عليهم حمل المعدات والإمدادات فوق التضاريس الوعرة مثل الحطام والأنقاض²². تتبنى معظم الروبوتات ذات الأرجل نهج تصميم هيكلي متكامل ، لكن هذا النهج يواجه مشكلات مثل ضعف القدرة على التكيف مع مهام متعددة ، ومعدلات الفشل العالية ، وكفاءة الصيانة المنخفضة. علاوة على ذلك ، يصعب موازنة الحركة الرشيقة للروبوتات ذات الأرجل وقدرتها العالية على التحمل في وقت واحد. في المقابل ، توفر الروبوتات ذات الأرجل المعيارية مزايا مثل تبديل التكوين المرن وراحة الصيانة المحسنة نظرا لمفهوم التصميم المعياري.

في الوقت الحاضر ، لا يزال البحث عن الروبوتات المعيارية في المرحلة الاستكشافية ، على الرغم من تحقيق بعض النتائج الأولية. تركز الدراسات الحالية حول الروبوتات ذات الأرجل المعيارية على المنصات الصغيرة ، والتي تستخدم بشكل أساسي الحركة الزاحفة أو الزاحفة ذات الحركة المحدودة. بالإضافة إلى ذلك ، تتطلب معظم الروبوتات المعيارية مزيجا من وحدات متعددة لتحقيق الحركة ، والوحدات الفردية لديها ضعف في التنقل وتفتقر إلى قدرات إعادة التكوين المستقلة. يوفر النظام المقترح في هذه الورقة مزايا من حيث مرونة الحركة وسهولة الإرساء. كما تم التحقق من صحتها سابقا²⁰ ، فإن هذه الوحدة ذات القدمين قادرة على تنفيذ التشغيل عالي السرعة ، ولا تتطلب طريقة الإرساء المستخدمة في هذه الورقة التثبيت اليدوي للدبابيس أو السحابات أو غيرها من العمليات المرهقة.

هنا ، نحدد ونناقش العديد من سيناريوهات التطبيق النموذجية للطريقة المقترحة في هذه الورقة. على سبيل المثال ، في قطاعي الصناعة والبناء ، يلزم استخدام الروبوتات ذات الأرجل لنقل المواد الثقيلة أو معدات القياس إلى مناطق البناء ، خاصة في المناطق الضيقة أو الخطرة حيث لا تستطيع الآلات التقليدية الوصول^{إليها 23}. سيناريو تطبيق نموذجي آخر هو الاستكشاف السريع أو الاستطلاع لمنطقة غير معروفة. يمكن للروبوت المعياري القابل لإعادة التكوين المقترح هنا الاستفادة من مزايا التحكم الموزعة عن طريق تحلل الهيكل إلى وحدات متعددة ذات قدمين ، مما يتيح الاستكشاف التعاوني في اتجاهات ومناطق متعددة. هذا يمكن أن يعزز كفاءة رسم الخرائط والاستطلاع.

مفتاح هذا البروتوكول هو الحركة المستقرة للوحدة ذات القدمين. إذا فشل في بدء التشغيل بشكل صحيح ، فمن المستحسن استكشاف الجوانب التالية وإصلاحها. أولا ، يتم استخدام برنامج تصحيح أخطاء المحرك الذي توفره الشركة المصنعة لاختبار ما إذا كان كل محرك يعمل بشكل طبيعي. بعد ذلك ، يتم استخدام الفولتميتر للتحقق من جهد الإمداد في كل واجهة للوحة الطاقة للتأكد من صحة جهد الدخل إلى وحدة التحكم والمحركات والوحدات الأخرى. بعد التأكد من صحة الجهد ، استخدم محلل CAN للتحقق مما إذا كانت منافذ CAN للوحة SPI ولوحة الطاقة تخرج إشارات محرك المحرك والتحقق من استقرار التردد. أخيرا ، إذا فشل الروبوت في الوقوف في الوضع المحدد مسبقا (كما هو موضح في الشكل 7) بعد بدء التشغيل ، فيرجى التحقق مما إذا كان المحرك قد تم ضبط مواضع الصفر بشكل صحيح. نظرا للخصائص الميكانيكية المتفاوتة للروبوتات ، يجب تعديل معلمات التحكم في الحركة وفقا للظروف المحددة. يتطلب الروبوت حاليا مساعدة يدوية للتحكم عن بعد لرسمها. بالإضافة إلى ذلك ، تستخدم آلية إرساء الروبوت اتصالات صلبة ، والتي قد لا تكون الخيار الأمثل في بعض الحالات الخاصة. في المستقبل ، سوف نستكشف تصميمات للآليات المفصلية بدرجات نشطة من الحرية لتعزيز مرونة الروبوتات ذات الأرجل المعيارية. يعد دمج وحدة الرؤية أيضا من بين خططنا البحثية القادمة ، بهدف تمكين الإرساء المستقل بناء على المعلومات المرئية.

ويعلن أصحاب البلاغ أنه ليس لديهم مصالح مالية متنافسة.

يود أصحاب البلاغ الإعراب عن امتنانهم للسيد شيانو تسنغ لمساعدته في إجراء التجارب الواردة في هذه الورقة. تم دعم هذا العمل جزئيا من قبل المؤسسة الوطنية للعلوم الطبيعية في الصين (62373223) ومؤسسة العلوم الطبيعية في مقاطعة شاندونغ (ZR2024ZD06).