Conception et contrôle d’un système robotique modulaire reconfigurable à haute dynamique

Ici, nous présentons un protocole pour permettre aux débutants de reproduire un système robotique bipède hautement dynamique et un robot quadrupède modulaire composé de bipèdes comme les plus petites unités.

Les robots à pattes possèdent une capacité d’adaptation exceptionnelle au terrain, ce qui en fait une plate-forme idéale pour l’exploration en plein air et le transport de marchandises sur des terrains complexes. Le nombre et la configuration des pattes jouent un rôle crucial dans leurs performances ; Cependant, la plupart des conceptions actuelles sont monolithiques, manquant de flexibilité pour la reconfiguration. Le protocole présenté dans cet article détaille la conception et la fabrication d’un système de robot modulaire à pattes avec des capacités de marche robustes et une reconfiguration flexible entre les configurations bipèdes et quadrupèdes. Tout d’abord, différents modules fonctionnels sont assemblés mécaniquement pour compléter la construction de la plate-forme bipède et l’assemblage du dispositif de connexion modulaire. Par la suite, à l’aide d’un logiciel de débogage, nous avons configuré l’unité de mesure inertielle et les moteurs, y compris l’identité (ID) du réseau de zone de contrôle (CAN), la vitesse de transmission et d’autres paramètres de fonctionnement pour nous assurer qu’ils sont dans le bon état de fonctionnement. Ensuite, nous avons conçu une stratégie de contrôle de l’ensemble du corps et un cadre de contrôle distribué pour assurer une marche stable de l’unité bipède et un mouvement coordonné de la structure assemblée, respectivement. Enfin, nous avons validé l’efficacité du système sur les configurations bipèdes et quadrupèdes, permettant au robot de réaliser une marche stable en plein air.

Les robots à pattes, utilisant un mécanisme de support discret, présentent une adaptabilité et une agilité supérieures au terrain ^1,2. Ces dernières années, des robots à pattes ont été déployés dans des scénarios tels que des opérations de sauvetage et de recherche, obtenant des résultats favorables ^3,4,5. Les robots à pattes de différentes configurations offrent des avantages distincts pour différentes tâches. Les robots bipèdes, avec leur conception simple, peuvent naviguer dans des espaces étroits mais ont une capacité de charge limitée. Les robots quadrupèdes sont plus complexes mais peuvent transporter des charges plus lourdes et se déplacer plus rapidement. Les robots à six pattes ou plus offrent une plus grande stabilité, mais sont plus difficiles à entretenir. Cependant, les robots à pattes existants utilisent généralement une conception intégrée caractérisée par une configuration unique qui manque de flexibilité pour s’adapter ou basculer entre différentes configurations ^6,7,8. Cette approche de conception entraîne une incidence élevée de défauts et présente d’importants défis de maintenance, car des points de défaillance uniques peuvent entraîner l’effondrement du système. En revanche, les robots conçus avec le concept d’assemblage modulaire peuvent facilement être reconfigurés pour répondre à différentes exigences de tâche ^9,10. Face à un terrain accidenté, ils peuvent améliorer leur traversabilité en augmentant le nombre de pieds ou de modules¹¹.

À l’heure actuelle, la recherche sur les robots à pattes modulaires est encore au stade exploratoire, se concentrant principalement sur les petites plates-formes ou les plates-formes à pattes miniatures, qui se déplacent principalement en rampant ou en rampant 11,12,13,14,15. Certains sous-modules d’assemblage n’ont même pas de capacités de mouvement indépendantes et ne peuvent atteindre la mobilité que lorsqu’ils sont combinés^16,17. Cela les rend difficiles à déployer dans des scénarios pratiques pour des tâches telles que le transport et la reconnaissance. Pour relever ces défis, cet article propose un système robotique modulaire doté de capacités de mobilité flexibles. Distinctes des méthodes précédentes, les jambes des sous-modules d’assemblage de cet article sont inspirées de la configuration des pattes des mammifères, offrant des capacités de course rapide. Nous sélectionnons le robot bipède comme le plus petit module d’épissage en raison de sa structure simple, de sa capacité de marche stable et de son style de marche plus humain^18,19.

De plus, certains des robots modulaires à pattes mentionnés ci-dessus utilisent des loquets ou des attaches pour connecter les modules¹², ce qui affaiblit leurs capacités de connexion et de déconnexion rapides. Pour simplifier le processus de connexion et éviter l’utilisation de clips et de fixations, nous utilisons un mécanisme de fixation électromagnétique entre les modules, avec activation/désactivation contrôlable et flexible de la force magnétique. Pour tirer pleinement parti des avantages du robot à pattes modulaires, nous utilisons une approche de contrôle distribué pour gérer la locomotion du robot dont il est question dans cet article. L’efficacité du système construit et de la méthode de contrôle a été validée par des expériences de prototype. Le système proposé pourrait aider à répondre aux besoins de transport de matériaux à grande échelle sur des terrains non structurés ou de reconnaissance rapide dans des environnements inconnus.

L’objectif de ce protocole est de présenter en détail le processus de conception et de fabrication du système décrit dans cet article, permettant aux parties intéressées de reproduire ou de créer des robots avec des fonctionnalités similaires pour répondre à leurs besoins. Le module bipède de cet article est basé sur nos travaux précédents. Nous avons installé un mécanisme d’amarrage dessus et effectué un réglage fin des paramètres²⁰.

1. Construction de la machine

1. Assemblez la tringlerie, le boîtier et le mollet à l’aide de vis et d’attaches, puis connectez la tringlerie assemblée à la goupille de clé de l’arbre de sortie du moteur à l’aide d’attaches (Figure 1).
   REMARQUE : La jambe, qui comprend la tringlerie, le moteur, les roulements, etc., est le composant principal du robot responsable de son mouvement.
2. Initialisez les moteurs à l’aide du logiciel fourni par le fabricant du moteur. Cela inclut l’étalonnage des capteurs et des encodeurs à effet Hall.
3. Fixez les deux pieds assemblés à l’aide de plaques en fibre de carbone et de connecteurs appropriés pour créer une structure bipède, comme illustré (Figure 2).
4. Fixez le tube en fibre de carbone des deux côtés du dispositif d’accueil à l’aide de vis et fixez l’électroaimant dans sa rainure centrale (voir Figure 3).

2. Construction du boîtier de commande

1. Assemblez la carte d’alimentation en vous basant sur le schéma de circuit et le schéma physique illustrés à la Figure 4.
2. Positionnez et fixez le module de gestion de l’alimentation, l’unité de mesure inertielle (IMU), l’unité de microcontrôleur (MCU) et d’autres composants à leurs emplacements désignés, comme illustré (Figure 5).
3. Connectez le port USB (Universal Serial Bus) du MCU à l’IMU à l’aide du connecteur JT30-USB.
4. Reliez le port Ethernet du MCU au routeur à l’aide d’un câble Ethernet.
5. Utilisez le câblage pour connecter le commutateur moteur, le commutateur MCU et le commutateur principal à leurs interfaces correspondantes sur le module de gestion de l’alimentation.
6. Connectez les interfaces CAN1 et CAN2 de la carte SPI (Serial Peripheral Interface) aux interfaces CAN1 et CAN2 du module de gestion de l’alimentation, respectivement.
7. Reliez tous les moteurs aux interfaces d’alimentation et CAN sur le module de gestion de l’alimentation via leurs interfaces correspondantes.
   REMARQUE : Les moteurs de la jambe gauche sont reliés aux interfaces d’alimentation et CAN du côté gauche sur le module de gestion de l’alimentation via le connecteur du côté gauche sur le boîtier de commande ; Le côté droit est connecté de la même manière.

3. Débogage des moteurs

1. Ouvrez le logiciel de débogage du moteur. Connectez l’ordinateur au moteur de débogage à l’aide d’un module USB-CAN.
2. Attribuez l’ID CAN du moteur. Réglez la valeur de ab/ad sur 1, la hanche sur 2 et le genou sur 3.
3. Réglez la position zéro et la direction positive du joint de manière séquentielle, comme illustré à la figure 6.

4. Schéma de contrôle

1. Etablir la relation de transmission cinématique entre les maillons du robot telle qu’elle est donnée par
   
   REMARQUE : L’axe z s’aligne avec l’axe de liaison i tandis que l’axe s’aligne le long de la perpendiculaire commune entre les axes de liaison i et i + 1, dirigé de la jonction i à i + 1. Si les axes se coupent, x_i est perpendiculaire au plan d’intersection. a_i-1 est l’angle de rotation autour de x_i-1 de z_i-1 à z_i ; a_i-1 est la distance le long de x_i-1 de z_i-1 à z_i ; θ_i est l’angle de rotation d’environ z_i de x_i-1 à x_i ; et di est la distance le long de z_i de x_i-1 à x_i.
2. Établissez l’équation dynamique du corps entier donnée par
   
   REMARQUE : J_c et f_c désignent la matrice jacobienne cartographiant les forces du pied à l’espace articulaire et la force de contact du pied, respectivement. M(q) est la matrice d’inertie, représente les termes centrifuges et de Coriolis, et g(q) est la force gravitationnelle sur le robot.
3. Établissez des équations de contrôle de l’équilibre du corps entier.
   REMARQUE : La loi de contrôle pour le module bipède intègre le contrôle de modèle virtuel (VMC) et le contrôle du corps entier (WBC). Pour des équations de contrôle détaillées, reportez-vous à un travail précédent²⁰.

5. Écrivez le programme

1. Utilisez ST-LINK pour importer le fichier binaire (BIN) du programme de communication entre le MCU et le moteur dans la carte SPI.
   REMARQUE : La carte SPI sert de module de communication entre le MCU et les moteurs, avec le STM32 comme noyau de contrôle.
2. Transmettez le programme de contrôle de locomotion du robot compilé du PC au MCU via un câble Ethernet.

6. Démarrage du module de robot bipède

1. Réglez le robot sur la posture initiale, comme illustré (Figure 7A).
2. Lancez le fichier exécutable compilé à partir du code de contrôle sur le MCU.
3. Envoyez la commande de support au robot à l’aide de la télécommande (Figure 7B).
   REMARQUE : Les boutons de la télécommande peuvent être configurés selon les besoins. Il est recommandé d’utiliser le joystick pour contrôler la vitesse et de passer d’un état à l’autre.
4. Activez le mode de locomotion du robot à l’aide de la télécommande (Figure 7C).
5. Utilisez le joystick de la télécommande pour manœuvrer le robot vers l’avant, vers l’arrière et le diriger.

7. Démarrage du robot quadrupède modulaire reconfiguré

1. Configurez les routeurs des deux modules bipèdes pour qu’ils se trouvent sur le même segment de réseau.
2. Établissez le cadre de contrôle distribué basé sur les communications légères et le marshalling (LCM)²¹.
3. Installez les composants du dispositif d’épissure assemblés sur la tête du robot bipède.
4. Positionnez les deux modules bipèdes dans l’état initial spécifié et activez la force magnétique du dispositif d’épissure.
5. Lancez les programmes exécutables des deux modules bipèdes séparément.
6. Transmettez la commande permanente au robot via la télécommande.
7. Activez le mode de locomotion du robot via la télécommande.
8. Utilisez le joystick de la télécommande pour manœuvrer le robot d’épissage vers l’avant, vers l’arrière et le diriger.

Pour valider l’efficacité du système proposé, nous avons effectué des tests de marche en plein air sur plusieurs terrains. Initialement, un seul module bipède a été sélectionné comme sujet de test, et des tests de mouvement ont été effectués à la fois sur du gazon artificiel et sur une piste synthétique. Comme le montre la figure 8, le robot a démontré une locomotion stable sur les deux terrains. La figure 9 montre la posture et le couple articulaire du robot pendant la locomotion. L’amplitude des fluctuations de l’angle de roulis et de tangage du robot reste à l’intérieur de 0,04 rad (la référence est 0), ce qui indique sa capacité décente de contrôle de la posture. D’autre part, les données de couple de l’articulation ne montrent pas de pointes ou de problèmes brusques, avec des transitions relativement douces, confirmant encore le fonctionnement stable du robot avec seulement de légères vibrations.

Dans l’expérience de reconfiguration (Figure 11), nous avons assemblé un robot quadrupède composite à l’aide de deux unités bipèdes et l’avons contrôlé pour obtenir un mouvement omnidirectionnel grâce à une approche de contrôle distribué. La commutation dynamique entre les configurations bipède et quadrupède a été réalisée avec succès en contrôlant à distance l’activation et la désactivation de la force d’adhérence du dispositif électromagnétique. Dans le champ de neige illustré à la figure 11B, un seul module bipède subit parfois des glissades et de l’instabilité. Cependant, lorsque les deux modules sont combinés, la stabilité globale est améliorée, ce qui permet une locomotion stable dans la neige.

Figure 1 : La construction de la jambe. (A) Assemblez les liaisons et les attaches des jambes. (B) Intégrez le moteur dans la tringlerie. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 2 : L’installation de la structure bipède. (A) La plaque en fibre de carbone et les connecteurs utilisés pour la fixation. (B) La structure bipède assemblée des membres inférieurs. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 3 : L’installation du dispositif d’épissure. (A) Les composants du mécanisme d’épissure. (B) Le mécanisme d’épissage assemblé. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 4 : Assemblage du module de gestion de l’alimentation. (A) Le schéma du module de gestion de l’alimentation. (B) L’image physique du module. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 5 : Schéma de la structure interne du boîtier de commande. (A) Les pièces internes. (B) Le schéma de ses connexions électriques. (C) L’intégration physique du boîtier de commande. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 6 : Schéma de la position zéro de l’articulation du robot.q_i désigne les degrés de liberté actifs dans les jambes du robot tandis que L_i représente les longueurs des liaisons respectives. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure. 

Figure 7 : Procédure de démarrage du robot. (A) Positionné dans la posture initiale. (B) Contrôlez le robot pour qu’il se tienne debout. (C) Activez le mode de locomotion. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 8 : Locomotion extérieure du module bipède. (A) Instantanés du robot bipède marchant de manière stable sur du gazon artificiel. (B) Instantanés de la locomotion vers l’avant du robot bipède sur une piste synthétique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 9 : Données enregistrées à partir d’expériences bipèdes en plein air. (A) Les données de marche sur gazon artificiel. (B) Les données de marche sur une piste synthétique. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 10 : Schéma fonctionnel du système de contrôle distribué du robot d’attelage modulaire. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Figure 11 : Expérience de locomotion extérieure de commutation de configuration. (A) Expérience de locomotion dans les prairies en configuration quadrupède. (B) Expérience de locomotion sur neige en configuration quadrupède. Veuillez cliquer ici pour voir une version agrandie de cette figure.

Le robot modulaire à pattes proposé dans cet article offre une nouvelle perspective sur la conception des robots à pattes, où la reconfiguration et le mouvement coordonné sont réalisés grâce à la combinaison de plusieurs modules de jambes distribués. Cette approche présentée dans cet article a été validée expérimentalement, confirmant sa capacité de reconfiguration de la configuration et de mouvement coordonné. Les sections 1, 2, 4 et 5 de ce protocole représentent les étapes critiques de la mise en œuvre de cette conception, couvrant à la fois le développement de la structure mécanique du robot et du système de contrôle électrique.

Il existe une demande croissante de robots à pattes avec une grande stabilité et une capacité de charge lourde dans des applications pratiques. Par exemple, dans les scénarios de sauvetage en cas de catastrophe, ils doivent transporter de l’équipement et des fournitures sur des terrains accidentés comme des débris et des gravats²². La plupart des robots à pattes adoptent une approche de conception structurelle intégrée, mais cette approche se heurte à des problèmes tels qu’une faible adaptabilité à plusieurs tâches, des taux d’échec élevés et une faible efficacité de maintenance. De plus, la mobilité agile des robots à pattes et leur grande capacité de charge sont difficiles à équilibrer simultanément. En revanche, les robots à pattes modulaires offrent des avantages tels qu’une commutation de configuration flexible et un confort de maintenance amélioré grâce à leur concept de conception modulaire.

À l’heure actuelle, la recherche sur les robots modulaires est encore au stade exploratoire, bien que certains résultats préliminaires aient été obtenus. Les études existantes sur les robots modulaires à pattes se concentrent sur des plates-formes à petite échelle, utilisant principalement une locomotion rampante ou rampante avec une mobilité limitée. De plus, la plupart des robots modulaires nécessitent la combinaison de plusieurs modules pour se déplacer, et les modules individuels ont une faible mobilité et manquent de capacités de reconfiguration autonomes. Le système proposé dans cet article offre des avantages en termes de flexibilité de mouvement et de facilité d’amarrage. Comme validé précédemment²⁰, ce module bipède est capable d’exécuter un fonctionnement à grande vitesse, et sa méthode d’amarrage utilisée dans cet article ne nécessite pas l’installation manuelle de goupilles, de fixations ou d’autres opérations fastidieuses.

Ici, nous décrivons et discutons plusieurs scénarios d’application typiques de la méthode proposée dans cet article. Par exemple, dans les secteurs de l’industrie et de la construction, les robots à pattes sont nécessaires pour transporter des matériaux lourds ou des équipements de mesure dans les zones de construction, en particulier dans les zones étroites ou dangereuses où les machines traditionnelles ne peuvent pas accéder²³. Un autre scénario d’application typique est l’exploration ou la reconnaissance rapide d’une zone inconnue. Le robot modulaire et reconfigurable proposé ici peut tirer parti de ses avantages de contrôle distribué en décomposant la structure en plusieurs modules bipèdes, permettant une exploration collaborative dans plusieurs directions et régions. Cela peut améliorer l’efficacité de la cartographie et de la reconnaissance.

La clé de ce protocole est la locomotion stable du module bipède. S’il ne démarre pas correctement, il est recommandé de dépanner les aspects suivants. Tout d’abord, le logiciel de débogage du moteur fourni par le fabricant est utilisé pour tester si chaque moteur fonctionne normalement. Ensuite, un voltmètre est utilisé pour vérifier la tension d’alimentation à chaque interface de la carte d’alimentation afin de s’assurer que la tension d’entrée du contrôleur, des moteurs et des autres modules est correcte. Après avoir vérifié que la tension est correcte, utilisez un analyseur CAN pour vérifier si les ports CAN de la carte SPI et de la carte d’alimentation émettent les signaux de commande du moteur et vérifiez la stabilité de la fréquence. Enfin, si le robot ne se tient pas dans la position prédéfinie (comme illustré à la figure 7) après le démarrage, veuillez vérifier si les positions zéro du moteur sont correctement réglées. En raison des différentes caractéristiques mécaniques des robots, les paramètres de contrôle de la locomotion doivent être ajustés en fonction des circonstances spécifiques. Le robot nécessite actuellement une assistance manuelle à distance pour l’amarrage. De plus, le mécanisme d’amarrage du robot utilise des connexions rigides, ce qui peut ne pas être le choix optimal dans certains cas particuliers. À l’avenir, nous explorerons des conceptions de mécanismes articulés avec des degrés de liberté actifs afin d’améliorer encore la flexibilité des robots à pattes modulaires. L’intégration d’un module de vision fait également partie de nos projets de recherche à venir, dans le but de permettre un amarrage autonome basé sur des informations visuelles.

Les auteurs déclarent qu’ils n’ont pas d’intérêts financiers concurrents.

Les auteurs tiennent à exprimer leur gratitude à M. Xianwu Zeng pour son aide dans la réalisation des expériences rapportées dans cet article. Ce travail a été soutenu en partie par la Fondation nationale des sciences naturelles de Chine (62373223) et la Fondation des sciences naturelles de la province du Shandong (ZR2024ZD06).