Progettazione e controllo di un sistema robotico modulare riconfigurabile ad alta dinamica

Qui, presentiamo un protocollo per consentire ai principianti di replicare un sistema robotico bipede altamente dinamico e un robot quadrupede modulare composto da bipedi come unità più piccole.

I robot con le zampe possiedono un'eccezionale adattabilità al terreno, che li rende una piattaforma ideale per l'esplorazione all'aperto e il trasporto di merci su terreni complessi. Il numero e la configurazione delle gambe giocano un ruolo cruciale nelle loro prestazioni; Tuttavia, la maggior parte dei progetti attuali sono monolitici, privi della flessibilità necessaria per la riconfigurazione. Il protocollo presentato in questo articolo descrive in dettaglio la progettazione e la fabbricazione di un sistema robotico modulare con robuste capacità di deambulazione e riconfigurazione flessibile tra configurazioni bipedi e quadrupedi. In primo luogo, vari moduli funzionali vengono assemblati meccanicamente per completare la costruzione della piattaforma bipede e l'assemblaggio del dispositivo di collegamento modulare. Successivamente, utilizzando il software di debugging, abbiamo configurato l'unità di misura inerziale e i motori, inclusa l'identità (ID) della rete CAN (Controller Area Network), la velocità di trasmissione e altri parametri di lavoro per garantire che siano nello stato di funzionamento corretto. Quindi, abbiamo progettato una strategia di controllo di tutto il corpo e un quadro di controllo distribuito per garantire rispettivamente una deambulazione stabile dell'unità bipede e un movimento coordinato della struttura assemblata. Infine, abbiamo convalidato l'efficacia del sistema sia su configurazioni bipedi che quadrupedi, consentendo al robot di raggiungere una camminata stabile all'aperto.

I robot con gambe, che utilizzano un meccanismo di supporto discreto, mostrano un'adattabilità e un'agilità superiori al terreno ^1,2. Negli ultimi anni, i robot con le zampe sono stati impiegati in scenari come le operazioni di salvataggio e ricerca, ottenendo risultati favorevoli ^3,4,5. I robot con gambe di varie configurazioni offrono vantaggi distinti per diversi compiti. I robot bipedi, con il loro design semplice, possono navigare in spazi ristretti ma hanno una capacità di carico limitata. I robot quadrupedi sono più complessi, ma possono trasportare carichi più pesanti e muoversi più velocemente. I robot con sei o più zampe offrono una maggiore stabilità ma sono più difficili da mantenere. Tuttavia, i robot con gambe esistenti generalmente impiegano un design integrato caratterizzato da una configurazione singolare che manca della flessibilità necessaria per adattarsi o passare da una configurazione all'altra ^6,7,8. Questo approccio progettuale comporta un'elevata incidenza di guasti e presenta notevoli sfide di manutenzione, poiché singoli punti di guasto possono portare al collasso del sistema. Al contrario, i robot progettati con il concetto di assemblaggio modulare possono essere facilmente riconfigurati per soddisfare diversi requisiti di attività ^9,10. Quando affrontano terreni accidentati, possono migliorare la loro attraversabilità aumentando il numero di gambe o moduli¹¹.

Attualmente, la ricerca sui robot modulari a zampe è ancora in fase esplorativa, concentrandosi principalmente su piattaforme a gambe piccole o in miniatura, che si muovono principalmente strisciando o strisciando 11,12,13,14,15. Alcuni sottomoduli di assemblaggio mancano persino di capacità di movimento indipendenti e possono raggiungere la mobilità solo se combinati^16,17. Ciò li rende difficili da implementare in scenari pratici per attività come il trasporto e la ricognizione. Per affrontare queste sfide, questo articolo propone un sistema robotico a gambe modulari con capacità di mobilità flessibili. A differenza dei metodi precedenti, le zampe dei sottomoduli di assemblaggio in questo documento sono ispirate alla configurazione delle zampe dei mammiferi, fornendo capacità di corsa rapida. Selezioniamo il robot bipede come il modulo di giunzione più piccolo grazie alla sua struttura semplice, alla capacità di camminare stabile e allo stile di camminata più simile a quello umano^18,19.

Inoltre, alcuni dei robot con gambe modulari sopra menzionati utilizzano fermi o dispositivi di fissaggio per collegare i moduli¹², indebolendo le loro capacità di connessione e disconnessione rapide. Per semplificare il processo di connessione ed evitare l'uso di clip e dispositivi di fissaggio, impieghiamo un meccanismo di fissaggio elettromagnetico tra i moduli, con attivazione/disattivazione controllabile e flessibile della forza magnetica. Per sfruttare appieno i vantaggi del robot a gambe modulari, impieghiamo un approccio di controllo distribuito per gestire la locomozione del robot discussa in questo articolo. L'efficacia del sistema costruito e del metodo di controllo è stata convalidata attraverso esperimenti prototipali. Il sistema proposto può aiutare a soddisfare le esigenze del trasporto di materiali su larga scala in terreni non strutturati o della ricognizione rapida in ambienti sconosciuti.

L'obiettivo di questo protocollo è quello di presentare in modo completo il processo di progettazione e produzione del sistema descritto in questo documento, consentendo alle parti interessate di replicare o creare robot con funzionalità simili per soddisfare le proprie esigenze. Il modulo bipede in questo articolo si basa sul nostro lavoro precedente. Abbiamo installato un meccanismo di aggancio su di esso ed eseguito la messa a punto^{dei parametri 20}.

1. Costruzione della macchina

1. Assemblare il collegamento, l'alloggiamento e il polpaccio utilizzando viti e dispositivi di fissaggio, quindi collegare il collegamento assemblato al perno della chiavetta dell'albero di uscita del motore utilizzando dispositivi di fissaggio (Figura 1).
   NOTA: La gamba, che comprende il collegamento, il motore, i cuscinetti, ecc., è il componente principale del robot responsabile del suo movimento.
2. Inizializzare i motori utilizzando il software fornito dal produttore del motore. Ciò include la calibrazione di sensori Hall ed encoder.
3. Fissare le due gambe assemblate con piastre in fibra di carbonio e connettori appropriati per creare una struttura bipede, come illustrato (Figura 2).
4. Fissare il tubo in fibra di carbonio su entrambi i lati del dispositivo di aggancio con le viti e fissare l'elettromagnete nella sua scanalatura centrale (vedere la Figura 3).

2. Costruzione della scatola di controllo

1. Assemblare la scheda di alimentazione in base allo schema del circuito e allo schema fisico mostrati nella Figura 4.
2. Posizionare e fissare il modulo di gestione dell'alimentazione, l'unità di misura inerziale (IMU), l'unità microcontrollore (MCU) e altri componenti nelle posizioni designate come illustrato (Figura 5).
3. Collegare la porta USB (Universal Serial Bus) dell'MCU all'IMU utilizzando il connettore JT30-USB.
4. Collegare la porta Ethernet dell'MCU al router utilizzando un cavo Ethernet.
5. Utilizzare il cablaggio per collegare l'interruttore del motore, l'interruttore MCU e l'interruttore principale alle interfacce corrispondenti sul modulo di gestione dell'alimentazione.
6. Collegare le interfacce CAN1 e CAN2 della scheda SPI (Serial Peripheral Interface) rispettivamente alle interfacce CAN1 e CAN2 del modulo di gestione dell'alimentazione.
7. Collegare tutti i motori alle interfacce di alimentazione e CAN sul modulo di gestione dell'alimentazione tramite le interfacce corrispondenti.
   NOTA: I motori della gamba sinistra sono collegati all'alimentazione sul lato sinistro e alle interfacce CAN sul modulo di gestione dell'alimentazione tramite il connettore sul lato sinistro sulla scatola di controllo; Il lato destro è collegato in modo simile.

3. Debug dei motori

1. Aprire il software di debug del motore. Collegare il computer al motore di debug con un modulo USB-CAN.
2. Assegnare l'ID CAN del motore. Impostare il valore di ab/ad su 1, anca su 2 e ginocchio su 3.
3. Impostare la posizione zero del giunto e la direzione positiva in sequenza, come mostrato nella Figura 6.

4. Schema di controllo

1. Stabilire la relazione di trasmissione cinematica tra i collegamenti del robot come dato da
   
   NOTA: L'asse z si allinea con l'asse del giunto i mentre l'asse si allinea lungo la perpendicolare comune tra gli assi del giunto i e i + 1, diretto dal giunto i a i + 1. Se gli assi si intersecano, x_i è perpendicolare al piano di intersezione. a_i-1 è l'angolo di rotazione attorno a x_i-1 da z_i-1 a z_i; a_i-1 è la distanza lungo x_i-1 da z_i-1 a z_i; θ_i è l'angolo di rotazione attorno a z_i da x_i-1 a x_i; e di è la distanza lungo z_i da x_i-1 a x_i.
2. Stabilire l'equazione dinamica di tutto il corpo data da
   
   NOTA: J_c e f_c denotano la matrice jacobiana che mappa le forze del piede nello spazio articolare e la forza di contatto del piede, rispettivamente. M(q) è la matrice inerziale, rappresenta i termini centrifughi e di Coriolis, e g(q) è la forza gravitazionale sul robot.
3. Stabilisci equazioni di controllo dell'equilibrio di tutto il corpo.
   NOTA: La legge di controllo per il modulo bipede integra il controllo del modello virtuale (VMC) e il controllo di tutto il corpo (WBC). Per le equazioni di controllo dettagliate, fare riferimento a un lavoro precedente²⁰.

5. Scrivi il programma

1. Utilizzare ST-LINK per importare il file binario (BIN) del programma di comunicazione tra l'MCU e il motore nella scheda SPI.
   NOTA: La scheda SPI funge da modulo di comunicazione tra l'MCU e i motori, con l'STM32 come nucleo di controllo.
2. Trasmetti il programma di controllo della locomozione del robot compilato dal PC all'MCU tramite un cavo Ethernet.

6. Avvio del modulo robot bipede

1. Impostare il robot sulla postura iniziale, come illustrato (Figura 7A).
2. Avviare il file eseguibile compilato dal codice di controllo sull'MCU.
3. Inviare il comando di supporto al robot utilizzando il telecomando (Figura 7B).
   NOTA: I pulsanti del telecomando possono essere configurati secondo necessità. Si consiglia di utilizzare il joystick per controllare la velocità e di passare da uno stato all'altro.
4. Attivare la modalità di locomozione del robot tramite il telecomando (Figura 7C).
5. Usa il joystick del telecomando per manovrare il robot in avanti, indietro e sterzare.

7. Avvio del robot quadrupede modulare riconfigurato

1. Configurare i router dei due moduli bipedi in modo che si trovino sullo stesso segmento di rete.
2. Stabilire il framework di controllo distribuito basato su Lightweight Communications and Marshalling (LCM)²¹.
3. Installare i componenti del dispositivo di giunzione assemblati sulla testa del robot bipede.
4. Posizionare i due moduli bipedi nello stato iniziale come specificato e attivare la forza magnetica del dispositivo di giunzione.
5. Avviare separatamente i programmi eseguibili dei due moduli bipede.
6. Trasmettere il comando in piedi al robot tramite il telecomando.
7. Attiva la modalità di locomozione del robot tramite il telecomando.
8. Usa il joystick del telecomando per manovrare il robot di giunzione in avanti, indietro e sterzare.

Per convalidare l'efficacia del sistema proposto, abbiamo condotto test di camminata all'aperto su più terreni. Inizialmente, è stato selezionato un singolo modulo bipede come soggetto di prova e i test di movimento sono stati condotti sia su erba artificiale che su una pista sintetica. Come mostrato nella Figura 8, il robot ha dimostrato una locomozione stabile su entrambi i terreni. I dati sulla postura e sulla coppia articolare del robot durante la locomozione sono mostrati nella Figura 9. L'ampiezza delle fluttuazioni dell'angolo di rollio e beccheggio del robot rimane entro 0,04 rad (il riferimento è 0), indicando la sua discreta capacità nel controllo della postura. D'altra parte, i dati sulla coppia articolare non mostrano picchi o anomalie brusche, con transizioni relativamente fluide, confermando ulteriormente il funzionamento stabile del robot con solo lievi vibrazioni.

Nell'esperimento di riconfigurazione (Figura 11), abbiamo assemblato un robot quadrupede composito utilizzando due unità bipedi e lo abbiamo controllato per ottenere un movimento omnidirezionale attraverso un approccio di controllo distribuito. La commutazione dinamica tra le configurazioni bipede e quadrupede è stata ottenuta con successo controllando a distanza l'attivazione e la disattivazione della forza di adesione del dispositivo elettromagnetico. Nel nevaio mostrato nella Figura 11B, un singolo modulo bipede subisce occasionalmente scivolamenti e instabilità. Tuttavia, quando i due moduli sono combinati, la stabilità complessiva è migliorata, consentendo una locomozione stabile sulla neve.

Figura 1: La costruzione della gamba. (A) Montare i collegamenti delle gambe e i dispositivi di fissaggio. (B) Integrare il motore nel leveraggio. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 2: L'installazione della struttura bipede. (A) La piastra in fibra di carbonio e i connettori utilizzati per il fissaggio. (B) La struttura bipede assemblata degli arti inferiori. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 3: L'installazione del dispositivo di giunzione. (A) I componenti del meccanismo di giunzione. (B) Il meccanismo di giunzione assemblato. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 4: Assemblaggio del modulo di gestione dell'alimentazione. (A) Lo schema del modulo di gestione dell'alimentazione. (B) L'immagine fisica del modulo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 5: Schema della struttura interna della scatola di controllo. (A) Le parti interne. (B) Lo schema dei suoi collegamenti elettrici. (C) L'integrazione fisica della scatola di controllo. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 6: Schema della posizione zero del giunto del robot. q_i denota i gradi di libertà attivi nelle gambe del robot mentre L_i rappresenta le lunghezze dei rispettivi collegamenti. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 7: Procedura di avvio del robot. (A) Posizionato nella postura iniziale. (B) Controllare il robot in modo che stia in posizione verticale. (C) Attivare la modalità di locomozione. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 8: Locomozione all'aperto del modulo bipede. (A) Istantanee del robot bipede che cammina stabilmente su erba artificiale. (B) Istantanee della locomozione in avanti del robot bipede su un binario sintetico. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 9: Dati registrati da esperimenti bipedi all'aperto. (A) I dati di camminata sull'erba artificiale. (B) I dati di camminata su una pista sintetica. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 10: Schema a blocchi del sistema di controllo distribuito per il robot di accoppiamento modulare. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Figura 11: Esperimento di locomozione all'aperto con cambio di configurazione. (A) Esperimento di locomozione delle praterie in configurazione quadrupede. (B) Esperimento di locomozione della neve in configurazione quadrupede. Clicca qui per visualizzare una versione più grande di questa figura.

Il robot modulare con gambe proposto in questo articolo offre una nuova prospettiva sulla progettazione di robot con gambe, in cui la riconfigurazione e il movimento coordinato sono ottenuti attraverso la combinazione di più moduli di gambe distribuiti. Questo approccio presentato in questo articolo è stato convalidato sperimentalmente, confermando la sua capacità di riconfigurazione della configurazione e movimento coordinato. Le sezioni 1, 2, 4 e 5 di questo protocollo rappresentano le fasi critiche nell'implementazione di questo progetto, che coprono lo sviluppo sia della struttura meccanica del robot che del sistema di controllo elettrico.

C'è una crescente domanda di robot con gambe con elevata stabilità e capacità di carico pesante nelle applicazioni pratiche. Ad esempio, negli scenari di soccorso in caso di calamità, devono trasportare attrezzature e rifornimenti su terreni accidentati come detriti e macerie²². La maggior parte dei robot con le gambe adotta un approccio di progettazione strutturale integrata, ma questo approccio deve affrontare problemi come la scarsa adattabilità a più attività, gli alti tassi di guasto e la bassa efficienza della manutenzione. Inoltre, l'agile mobilità dei robot con le gambe e la loro elevata capacità di carico sono difficili da bilanciare contemporaneamente. Al contrario, i robot modulari a zampe offrono vantaggi come la commutazione flessibile della configurazione e una maggiore comodità di manutenzione grazie al loro concetto di design modulare.

Al momento, la ricerca sui robot modulari è ancora in fase esplorativa, anche se sono stati raggiunti alcuni risultati preliminari. Gli studi esistenti sui robot a zampe modulari si concentrano su piattaforme su piccola scala, che utilizzano principalmente la locomozione strisciante o strisciante con mobilità limitata. Inoltre, la maggior parte dei robot modulari richiede la combinazione di più moduli per ottenere il movimento e i singoli moduli hanno una scarsa mobilità e mancano di capacità di riconfigurazione autonoma. Il sistema proposto in questo articolo offre vantaggi in termini di flessibilità di movimento e facilità di attracco. Come convalidato in precedenza²⁰, questo modulo bipede è in grado di eseguire corse ad alta velocità e il suo metodo di aggancio utilizzato in questo documento non richiede l'installazione manuale di perni, elementi di fissaggio o altre operazioni ingombranti.

Qui, delineiamo e discutiamo diversi scenari applicativi tipici del metodo proposto in questo documento. Ad esempio, nei settori industriale e delle costruzioni, i robot con gambe sono necessari per trasportare materiali pesanti o apparecchiature di misurazione nelle aree di costruzione, soprattutto in zone ristrette o pericolose dove i macchinari tradizionali non possono accedere²³. Un altro tipico scenario applicativo è l'esplorazione o la ricognizione rapida di un'area sconosciuta. Il robot modulare e riconfigurabile qui proposto può sfruttare i suoi vantaggi di controllo distribuito scomponendo la struttura in più moduli bipedi, consentendo l'esplorazione collaborativa in più direzioni e regioni. Ciò può migliorare l'efficienza della mappatura e della ricognizione.

La chiave di questo protocollo è la locomozione stabile del modulo bipede. Se non si avvia correttamente, si consiglia di risolvere i seguenti aspetti. Innanzitutto, il software di debug del motore fornito dal produttore viene utilizzato per verificare se ogni motore funziona normalmente. Quindi, viene utilizzato un voltmetro per controllare la tensione di alimentazione su ciascuna interfaccia della scheda di alimentazione per garantire che la tensione di ingresso al controller, ai motori e agli altri moduli sia corretta. Dopo aver confermato che la tensione è corretta, utilizzare un analizzatore CAN per verificare se le porte CAN della scheda SPI e della scheda di alimentazione emettono i segnali di azionamento del motore e verificare la stabilità della frequenza. Infine, se il robot non riesce a stare in piedi nella postura preimpostata (come mostrato nella Figura 7) dopo l'avvio, verificare se le posizioni di zero del motore sono impostate correttamente. A causa delle diverse caratteristiche meccaniche dei robot, i parametri di controllo della locomozione devono essere regolati in base alle circostanze specifiche. Il robot attualmente richiede l'assistenza manuale del telecomando per l'attracco. Inoltre, il meccanismo di aggancio del robot utilizza connessioni rigide, che potrebbero non essere la scelta ottimale in alcuni casi speciali. In futuro, esploreremo progetti per meccanismi articolati con gradi di libertà attivi per migliorare ulteriormente la flessibilità dei robot con gambe modulari. L'integrazione di un modulo di visione è anche tra i nostri prossimi piani di ricerca, con l'obiettivo di consentire l'attracco autonomo basato su informazioni visive.

Gli autori dichiarano di non avere interessi finanziari concorrenti.

Gli autori desiderano esprimere la loro gratitudine al signor Xianwu Zeng per la sua assistenza nell'esecuzione degli esperimenti riportati in questo articolo. Questo lavoro è stato sostenuto in parte dalla National Natural Science Foundation of China (62373223) e dalla Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2024ZD06).