Diseño y control de un sistema robótico de patas reconfigurables modulares de alta dinámica

Aquí, presentamos un protocolo para permitir a los principiantes replicar un sistema robótico bípedo altamente dinámico y un robot cuadrúpedo modular compuesto por bípedos como las unidades más pequeñas.

Los robots con patas poseen una adaptabilidad excepcional al terreno, lo que los convierte en una plataforma ideal para la exploración al aire libre y el transporte de carga a través de terrenos complejos. El número y la configuración de las patas juegan un papel crucial en su rendimiento; Sin embargo, la mayoría de los diseños actuales son monolíticos, es decir, carecen de la flexibilidad necesaria para la reconfiguración. El protocolo presentado en este documento detalla el diseño y la fabricación de un sistema de robot de patas modulares con capacidades robustas para caminar y una reconfiguración flexible entre configuraciones bípedas y cuadrúpedas. En primer lugar, se ensamblan mecánicamente varios módulos funcionales para completar la construcción de la plataforma bípeda y el montaje del dispositivo de conexión modular. Posteriormente, utilizando software de depuración, configuramos la unidad de medición inercial y los motores, incluida la identidad (ID) de la red de área del controlador (CAN), la velocidad en baudios y otros parámetros de trabajo para garantizar que estén en el estado de funcionamiento correcto. Luego, diseñamos una estrategia de control de cuerpo entero y un marco de control distribuido para garantizar la marcha estable de la unidad bípeda y el movimiento coordinado de la estructura ensamblada, respectivamente. Finalmente, validamos la efectividad del sistema en configuraciones bípedas y cuadrúpedas, lo que permitió que el robot lograra una caminata estable al aire libre.

Los robots con patas, que utilizan un mecanismo de soporte discreto, exhiben una adaptabilidad y agilidad superiores al terreno ^1,2. En los últimos años, los robots con patas han sido desplegados en escenarios como operaciones de rescate y búsqueda, logrando resultados favorables ^3,4,5. Los robots con patas de varias configuraciones ofrecen claras ventajas para diferentes tareas. Los robots bípedos, con su diseño simple, pueden navegar por espacios estrechos pero tienen una capacidad de carga limitada. Los robots cuadrúpedos son más complejos, pero pueden transportar cargas más pesadas y moverse más rápido. Los robots con seis o más patas proporcionan una mayor estabilidad, pero son más difíciles de mantener. Sin embargo, los robots de patas existentes generalmente emplean un diseño integrado caracterizado por una configuración singular que carece de la flexibilidad para adaptarse o cambiar entre diferentes configuraciones ^6,7,8. Este enfoque de diseño da como resultado una alta incidencia de fallas y presenta importantes desafíos de mantenimiento, ya que los puntos únicos de falla pueden provocar el colapso del sistema. Por el contrario, los robots diseñados con el concepto de ensamblaje modular pueden reconfigurarse fácilmente para cumplir con los diferentes requisitos de la tarea ^9,10. Cuando se enfrentan a terrenos accidentados, pueden mejorar su transitabilidad aumentando el número de patas o módulos¹¹.

En la actualidad, la investigación sobre robots de patas modulares aún se encuentra en fase exploratoria, centrándose principalmente en plataformas pequeñas o de patas en miniatura, que se desplazan principalmente arrastrándose o deslizándose 11,12,13,14,15. Algunos submódulos de ensamblaje incluso carecen de capacidades de movimiento independientes y solo pueden lograr movilidad cuando se combinan^16,17. Esto hace que sean difíciles de desplegar en escenarios prácticos para tareas como el transporte y el reconocimiento. Para abordar estos desafíos, este artículo propone un sistema robótico de patas modulares con capacidades de movilidad flexibles. A diferencia de los métodos anteriores, las patas de los submódulos de ensamblaje en este documento están inspiradas en la configuración de las patas de los mamíferos, lo que proporciona capacidades de funcionamiento rápido. Seleccionamos el robot bípedo como el módulo de empalme más pequeño debido a su estructura simple, capacidad de caminar estable y un estilo de caminar más humano^18,19.

Además, algunos de los robots de patas modulares mencionados anteriormente utilizan pestillos o sujetadores para conectar los módulos¹², lo que debilita sus capacidades de conexión y desconexión rápidas. Para simplificar el proceso de conexión y evitar el uso de clips y sujetadores, empleamos un mecanismo de fijación electromagnética entre módulos, con activación/desactivación controlable y flexible de la fuerza magnética. Para aprovechar al máximo las ventajas del robot de patas modulares, empleamos un enfoque de control distribuido para gestionar la locomoción del robot que se analiza en este documento. La efectividad del sistema construido y del método de control ha sido validada a través de prototipos de experimentos. El sistema propuesto puede ayudar a abordar las necesidades de transporte de material a gran escala en terrenos no estructurados o de reconocimiento rápido en entornos desconocidos.

El objetivo de este protocolo es presentar de manera exhaustiva el proceso de diseño y fabricación del sistema descrito en este documento, permitiendo a las partes interesadas replicar o crear robots con funcionalidad similar para satisfacer sus necesidades. El módulo bípedo de este artículo se basa en nuestro trabajo previo. Hemos instalado un mecanismo de acoplamiento en él y hemos realizado el ajuste fino de los parámetros²⁰.

1. Construcción de la máquina

1. Ensamble el varillaje, la carcasa y la pantorrilla con tornillos y sujetadores, y luego conecte el varillaje ensamblado al pasador de llave del eje de salida del motor con sujetadores (Figura 1).
   NOTA: La pata, que comprende el varillaje, el motor, los cojinetes, etc., es el componente principal del robot responsable de su movimiento.
2. Inicialice los motores utilizando el software proporcionado por el fabricante del motor. Esto incluye la calibración de sensores Hall y codificadores.
3. Fije las dos patas ensambladas con placas de fibra de carbono y conectores apropiados para crear una estructura bípeda, como se ilustra (Figura 2).
4. Fije el tubo de fibra de carbono a ambos lados del dispositivo de acoplamiento con tornillos y asegure el electroimán en su ranura central (consulte la Figura 3).

2. Construcción de la caja de control

1. Ensamble la placa de alimentación según el esquema del circuito y el diagrama físico que se muestra en la Figura 4.
2. Coloque y asegure el módulo de administración de energía, la unidad de medición inercial (IMU), la unidad de microcontrolador (MCU) y otros componentes en sus ubicaciones designadas como se ilustra (Figura 5).
3. Conecte el puerto de bus serie universal (USB) de la MCU a la IMU mediante el conector JT30-USB.
4. Conecte el puerto Ethernet de la MCU al enrutador mediante un cable Ethernet.
5. Utilice el cableado para conectar el interruptor del motor, el interruptor de MCU y el interruptor principal a sus interfaces correspondientes en el módulo de administración de energía.
6. Conecte las interfaces CAN1 y CAN2 de la placa de interfaz periférica serial (SPI) a las interfaces CAN1 y CAN2 del módulo de administración de energía, respectivamente.
7. Conecte todos los motores a las interfaces de alimentación y CAN en el módulo de administración de energía a través de sus interfaces correspondientes.
   NOTA: Los motores de la pierna izquierda están conectados a las interfaces de alimentación y CAN del lado izquierdo en el módulo de administración de energía a través del conector del lado izquierdo en la caja de control; El lado derecho está conectado de manera similar.

3. Depuración de los motores

1. Abra el software de depuración del motor. Conecte la computadora al motor de depuración con un módulo USB-CAN.
2. Asigne el ID de CAN del motor. Establezca el valor de ab/ad en 1, hip en 2 y knee en 3.
3. Establezca la posición cero de la unión y la dirección positiva secuencialmente, como se muestra en la Figura 6.

4. Esquema de control

1. Establecer la relación de transmisión cinemática entre los enlaces del robot dada por
   
   NOTA: El eje z se alinea con el eje de la articulación i, mientras que el eje se alinea a lo largo de la perpendicular común entre los ejes de la articulación i e i + 1, dirigido desde la articulación i a i + 1. Si los ejes se intersecan, x_i es perpendicular al plano de intersección. A_i-1 es el ángulo de rotación alrededor de x_i-1 desde z_i-1 a z_i; A_i-1 es la distancia a lo largo de x_i-1 desde z_i-1 a z_i; θ_i es el ángulo de rotación alrededor de z_i desde x_i-1 hasta x_i; y di es la distancia a lo largo de z_i desde x_i-1 hasta x_i.
2. Establecer una ecuación dinámica de cuerpo completo dada por
   
   NOTA: J_c y f_c denotan la matriz jacobiana que mapea las fuerzas del pie al espacio de la articulación y la fuerza de contacto del pie, respectivamente. M(q) es la matriz de inercia, representa los términos centrífugo y de Coriolis, y g(q) es la fuerza gravitacional sobre el robot.
3. Establecer ecuaciones de control de equilibrio de cuerpo entero.
   NOTA: La ley de control para el módulo bípedo integra el control de modelo virtual (VMC) y el control de cuerpo entero (WBC). Para obtener ecuaciones de control detalladas, consulte un trabajo anterior²⁰.

5. Escribe el programa

1. Utilice ST-LINK para importar el archivo binario (BIN) del programa de comunicación entre la MCU y el motor en la placa SPI.
   NOTA: La placa SPI sirve como módulo de comunicación entre la MCU y los motores, con el STM32 como núcleo de control.
2. Transmita el programa de control de locomoción del robot compilado desde la PC a la MCU a través de un cable Ethernet.

6. Puesta en marcha del módulo de robot bípedo

1. Ajuste el robot a la postura inicial, como se ilustra (Figura 7A).
2. Inicie el archivo ejecutable compilado a partir del código de control en la MCU.
3. Envíe el comando de soporte al robot usando el control remoto (Figura 7B).
   NOTA: Los botones del control remoto se pueden configurar según sea necesario. Se recomienda utilizar el joystick para controlar la velocidad y que los botones cambien entre diferentes estados.
4. Active el modo de locomoción del robot a través del control remoto (Figura 7C).
5. Use el joystick del control remoto para maniobrar el robot hacia adelante, hacia atrás y dirigirlo.

7. Puesta en marcha del robot cuadrúpedo reconfigurado modularmente

1. Configure los routers de los dos módulos bípedos para que estén en el mismo segmento de red.
2. Establecer el marco de control distribuido basado en Comunicaciones Ligeras y Marshalling (LCM)²¹.
3. Instale los componentes del dispositivo de empalme ensamblados en la cabeza del robot bípedo.
4. Coloque los dos módulos bípedos en el estado inicial especificado y active la fuerza magnética del dispositivo de empalme.
5. Inicie los programas ejecutables de los dos módulos bípedos por separado.
6. Transmita el comando de pie al robot a través del control remoto.
7. Activa el modo de locomoción del robot a través del mando a distancia.
8. Utilice el joystick del mando a distancia para maniobrar el robot de empalme hacia adelante, hacia atrás y dirigirlo.

Para validar la efectividad del sistema propuesto, realizamos pruebas de caminata al aire libre en múltiples terrenos. Inicialmente, se seleccionó un solo módulo bípedo como sujeto de prueba, y las pruebas de movimiento se llevaron a cabo tanto en césped artificial como en una pista sintética. Como se muestra en la Figura 8, el robot demostró una locomoción estable en ambos terrenos. Los datos de postura y par articular del robot durante la locomoción se muestran en la Figura 9. La amplitud de las fluctuaciones del ángulo de balanceo y cabeceo del robot se mantiene dentro de 0,04 rad (la referencia es 0), lo que indica su decente capacidad en el control de la postura. Por otro lado, los datos de par de las articulaciones no muestran picos bruscos ni fallos técnicos, con transiciones relativamente suaves, lo que confirma aún más el funcionamiento estable del robot con sólo una ligera vibración.

En el experimento de reconfiguración (Figura 11), ensamblamos un robot cuadrúpedo compuesto utilizando dos unidades bípedas y lo controlamos para lograr un movimiento omnidireccional a través de un enfoque de control distribuido. La conmutación dinámica entre las configuraciones bípeda y cuadrúpeda se logró con éxito controlando de forma remota la activación y desactivación de la fuerza de adhesión del dispositivo electromagnético. En el campo de nieve que se muestra en la Figura 11B, un solo módulo bípedo ocasionalmente experimenta deslizamiento e inestabilidad. Sin embargo, cuando se combinan los dos módulos, se mejora la estabilidad general, lo que permite una locomoción estable en la nieve.

Figura 1: La construcción de la pierna. (A) Ensamble los eslabones de las patas y los sujetadores. (B) Integre el motor en el varillaje. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 2: La instalación de la estructura bípeda. (A) La placa de fibra de carbono y los conectores utilizados para la fijación. (B) La estructura bípeda de la extremidad inferior ensamblada. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 3: La instalación del dispositivo de empalme. (A) Los componentes del mecanismo de empalme. (B) El mecanismo de empalme ensamblado. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 4: Montaje del módulo de administración de energía. (A) El diagrama esquemático del módulo de administración de energía. (B) La imagen física del módulo. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 5: Diagrama de la estructura interna de la caja de control. (A) Las partes internas. (B) El esquema de sus conexiones eléctricas. (C) La integración física de la caja de control. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 6: Esquema de la posición cero de la articulación del robot. q_i denota los grados de libertad activos en las patas del robot, mientras que L_i representa las longitudes de los respectivos enlaces. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 7: Procedimiento de arranque del robot. (A) Colocado en la postura inicial. (B) Controle el robot para que se mantenga en posición vertical. (C) Activar el modo de locomoción. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 8: Locomoción al aire libre del módulo bípedo. (A) Instantáneas del robot bípedo caminando de manera estable sobre césped artificial. (B) Instantáneas de la locomoción hacia adelante del robot bípedo en una pista sintética. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 9: Datos registrados de experimentos bípedos al aire libre. (A) Los datos de caminar sobre césped artificial. (B) Los datos de marcha en una pista sintética. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 10: Diagrama de bloques del sistema de control distribuido para el robot de acoplamiento modular. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

Figura 11: Experimento de locomoción al aire libre con cambio de configuración. (A) Experimento de locomoción de pastizales en configuración cuadrúpeda. (B) Experimento de locomoción de nieve en configuración cuadrúpeda. Haga clic aquí para ver una versión más grande de esta figura.

El robot modular con patas propuesto en este artículo ofrece una nueva perspectiva sobre el diseño de robots con patas, donde la reconfiguración y el movimiento coordinado se logran a través de la combinación de múltiples módulos de patas distribuidas. Este enfoque presentado en este artículo ha sido validado experimentalmente, confirmando su capacidad para la reconfiguración de la configuración y el movimiento coordinado. Las secciones 1, 2, 4 y 5 de este protocolo representan las etapas críticas en la implementación de este diseño, cubriendo el desarrollo tanto de la estructura mecánica del robot como del sistema de control eléctrico.

Existe una creciente demanda de robots con patas con alta estabilidad y capacidad de carga pesada en aplicaciones prácticas. Por ejemplo, en escenarios de rescate en caso de desastre, deben transportar equipos y suministros a través de terrenos accidentados como escombros y escombros²². La mayoría de los robots con patas adoptan un enfoque de diseño estructural integrado, pero este enfoque se enfrenta a problemas como la poca adaptabilidad a múltiples tareas, las altas tasas de fallos y la baja eficiencia del mantenimiento. Además, la ágil movilidad de los robots con patas y su alta capacidad de carga son difíciles de equilibrar al mismo tiempo. Por el contrario, los robots de patas modulares ofrecen ventajas como el cambio de configuración flexible y la mayor comodidad de mantenimiento gracias a su concepto de diseño modular.

En la actualidad, la investigación sobre robots modulares se encuentra todavía en fase exploratoria, aunque se han obtenido algunos resultados preliminares. Los estudios existentes sobre robots de patas modulares se centran en plataformas a pequeña escala, que utilizan principalmente locomoción rastrera o rastrera con movilidad limitada. Además, la mayoría de los robots modulares requieren la combinación de múltiples módulos para lograr el movimiento, y los módulos individuales tienen poca movilidad y carecen de capacidades de reconfiguración autónoma. El sistema propuesto en este trabajo ofrece ventajas en términos de flexibilidad de movimiento y facilidad de acoplamiento. Como se validó anteriormente²⁰, este módulo bípedo es capaz de ejecutar carreras a alta velocidad, y su método de acoplamiento utilizado en este documento no requiere la instalación manual de pasadores, sujetadores u otras operaciones engorrosas.

Aquí, describimos y discutimos varios escenarios de aplicación típicos del método propuesto en este artículo. Por ejemplo, en los sectores industrial y de la construcción, se requieren robots con patas para transportar materiales pesados o equipos de medición a áreas de construcción, especialmente en zonas estrechas o peligrosas donde la maquinaria tradicional no puede acceder²³. Otro escenario de aplicación típico es la exploración rápida o el reconocimiento de un área desconocida. El robot modular y reconfigurable propuesto aquí puede aprovechar sus ventajas de control distribuido al descomponer la estructura en múltiples módulos bípedos, lo que permite la exploración colaborativa en múltiples direcciones y regiones. Esto puede mejorar la eficiencia de la cartografía y el reconocimiento.

La clave de este protocolo es la locomoción estable del módulo bípedo. Si no se inicia correctamente, se recomienda solucionar los siguientes aspectos. En primer lugar, se utiliza el software de depuración de motores proporcionado por el fabricante para comprobar si cada motor funciona normalmente. Luego, se usa un voltímetro para verificar el voltaje de suministro en cada interfaz de la placa de alimentación para garantizar que el voltaje de entrada al controlador, motores y otros módulos sea correcto. Después de confirmar que el voltaje es correcto, use un analizador CAN para verificar si los puertos CAN de la placa SPI y la placa de alimentación están emitiendo las señales de accionamiento del motor y verifique la estabilidad de la frecuencia. Finalmente, si el robot no se coloca en la postura preestablecida (como se muestra en la Figura 7) después del inicio, verifique si las posiciones cero del motor están configuradas correctamente. Debido a las diferentes características mecánicas de los robots, los parámetros de control de la locomoción deben ajustarse de acuerdo con las circunstancias específicas. Actualmente, el robot requiere asistencia manual por control remoto para el acoplamiento. Además, el mecanismo de acoplamiento del robot utiliza conexiones rígidas, que pueden no ser la opción óptima en ciertos casos especiales. En el futuro, exploraremos diseños de mecanismos articulados con grados de libertad activos para mejorar aún más la flexibilidad de los robots de patas modulares. La integración de un módulo de visión también se encuentra entre nuestros próximos planes de investigación, con el objetivo de permitir el acoplamiento autónomo basado en información visual.

Los autores declaran que no tienen intereses financieros contrapuestos.

Los autores desean expresar su gratitud al Sr. Xianwu Zeng por su ayuda en la realización de los experimentos presentados en este documento. Este trabajo fue apoyado en parte por la Fundación Nacional de Ciencias Naturales de China (62373223) y la Fundación de Ciencias Naturales de la Provincia de Shandong (ZR2024ZD06).