Projeto e controle de um sistema robótico modular reconfigurável de pernas altamente dinâmicas

Aqui, apresentamos um protocolo para permitir que iniciantes repliquem um sistema robótico bípede altamente dinâmico e um robô quadrúpede modular composto por bípedes como as menores unidades.

Os robôs com pernas possuem adaptabilidade excepcional ao terreno, tornando-os uma plataforma ideal para exploração ao ar livre e transporte de carga em terrenos complexos. O número e a configuração das pernas desempenham um papel crucial em seu desempenho; no entanto, a maioria dos projetos atuais são monolíticos, sem flexibilidade para reconfiguração. O protocolo apresentado neste artigo detalha o projeto e a fabricação de um sistema de robô modular com pernas robustas com recursos robustos de caminhada e reconfiguração flexível entre configurações bípedes e quadrúpedes. Primeiro, vários módulos funcionais são montados mecanicamente para completar a construção da plataforma bípede e a montagem do dispositivo de conexão modular. Posteriormente, usando o software de depuração, configuramos a unidade de medição inercial e os motores, incluindo a identidade (ID) da rede de área do controlador (CAN), a taxa de transmissão e outros parâmetros de trabalho para garantir que estejam no estado de trabalho correto. Em seguida, projetamos uma estratégia de controle de corpo inteiro e uma estrutura de controle distribuída para garantir a caminhada estável da unidade bípede e o movimento coordenado da estrutura montada, respectivamente. Por fim, validamos a eficácia do sistema nas configurações bípede e quadrúpede, permitindo que o robô alcance uma caminhada estável ao ar livre.

Robôs com pernas, utilizando um mecanismo de suporte discreto, exibem adaptabilidade e agilidade superiores ao terreno ^1,2. Nos últimos anos, robôs com pernas foram implantados em cenários como operações de resgate e busca, obtendo resultados favoráveis ^3,4,5. Robôs com pernas de várias configurações oferecem vantagens distintas para diferentes tarefas. Os robôs bípedes, com seu design simples, podem navegar em espaços estreitos, mas têm capacidade de carga limitada. Os robôs quadrúpedes são mais complexos, mas podem transportar cargas mais pesadas e se mover mais rápido. Robôs com seis ou mais pernas fornecem maior estabilidade, mas são mais difíceis de manter. No entanto, os robôs com pernas existentes geralmente empregam um design integrado caracterizado por uma configuração singular que carece de flexibilidade para se adaptar ou alternar entre diferentes configurações ^6,7,8. Essa abordagem de projeto resulta em uma alta incidência de falhas e apresenta desafios de manutenção significativos, pois pontos únicos de falha podem levar ao colapso do sistema. Em contraste, os robôs projetados com o conceito de montagem modular podem ser facilmente reconfigurados para atender a diferentes requisitos de tarefas ^9,10. Ao enfrentar terrenos acidentados, eles podem aumentar sua capacidade de travessia aumentando o número de pernas ou módulos¹¹.

Atualmente, a pesquisa sobre robôs de pernas modulares ainda está em fase exploratória, concentrando-se principalmente em plataformas de pernas pequenas ou em miniatura, que se movem principalmente rastejando ou deslizando 11,12,13,14,15. Alguns submódulos de montagem ainda não possuem recursos de movimento independente e só podem alcançar mobilidade quando combinados^16,17. Isso os torna difíceis de implantar em cenários práticos para tarefas como transporte e reconhecimento. Para enfrentar esses desafios, este artigo propõe um sistema robótico de pernas modulares com recursos de mobilidade flexíveis. Diferente dos métodos anteriores, as pernas dos submódulos de montagem neste artigo são inspiradas na configuração das pernas dos mamíferos, fornecendo recursos de corrida rápida. Selecionamos o robô bípede como o menor módulo de emenda devido à sua estrutura simples, capacidade de caminhada estável e estilo de caminhada mais humano^18,19.

Além disso, alguns dos robôs modulares com pernas mencionados acima usam travas ou fixadores para conectar os módulos¹², enfraquecendo suas capacidades de conexão e desconexão rápidas. Para simplificar o processo de conexão e evitar o uso de clipes e fixadores, empregamos um mecanismo de fixação eletromagnética entre os módulos, com ativação/desativação controlável e flexível da força magnética. Para aproveitar ao máximo as vantagens do robô de pernas modulares, empregamos uma abordagem de controle distribuído para gerenciar a locomoção do robô discutido neste artigo. A eficácia do sistema construído e do método de controle foi validada por meio de experimentos de protótipo. O sistema proposto pode ajudar a atender às necessidades de transporte de materiais em larga escala em terrenos não estruturados ou reconhecimento rápido em ambientes desconhecidos.

O objetivo deste protocolo é apresentar minuciosamente o processo de projeto e fabricação do sistema descrito neste artigo, permitindo que as partes interessadas repliquem ou criem robôs com funcionalidade semelhante para atender às suas necessidades. O módulo bípede neste artigo é baseado em nosso trabalho anterior. Instalamos um mecanismo de encaixe nele e realizamos o ajuste fino dos parâmetros²⁰.

1. Construção da máquina

1. Monte a articulação, a carcaça e a panturrilha usando parafusos e fixadores e, em seguida, conecte a articulação montada ao pino de chave do eixo de saída do motor usando fixadores (Figura 1).
   NOTA: A perna, que compreende a articulação, motor, rolamentos, etc., é o principal componente do robô responsável por seu movimento.
2. Inicialize os motores usando o software fornecido pelo fabricante do motor. Isso inclui a calibração de sensores e codificadores Hall.
3. Prenda as duas pernas montadas com placas de fibra de carbono e conectores apropriados para criar uma estrutura bípede, conforme ilustrado (Figura 2).
4. Fixe o tubo de fibra de carbono em ambos os lados do dispositivo de encaixe com parafusos e prenda o eletroímã em sua ranhura central (consulte a Figura 3).

2. Construindo a caixa de controle

1. Monte a placa de alimentação com base no esquema do circuito e no diagrama físico mostrado na Figura 4.
2. Posicione e prenda o módulo de gerenciamento de energia, a unidade de medição inercial (IMU), a unidade de microcontrolador (MCU) e outros componentes em seus locais designados, conforme ilustrado (Figura 5).
3. Conecte a porta USB (barramento serial universal) do MCU à IMU usando o conector JT30-USB.
4. Conecte a porta Ethernet do MCU ao roteador usando um cabo Ethernet.
5. Use a fiação para conectar o interruptor do motor, o interruptor MCU e o interruptor principal às suas interfaces correspondentes no módulo de gerenciamento de energia.
6. Conecte as interfaces CAN1 e CAN2 da placa de interface periférica serial (SPI) às interfaces CAN1 e CAN2 do módulo de gerenciamento de energia, respectivamente.
7. Conecte todos os motores às interfaces de energia e CAN no módulo de gerenciamento de energia por meio de suas interfaces correspondentes.
   NOTA: Os motores da perna esquerda estão ligados às interfaces de alimentação e CAN do lado esquerdo no módulo de gerenciamento de energia através do conector do lado esquerdo na caixa de controle; o lado direito está conectado de forma semelhante.

3. Depuração dos motores

1. Abra o software de depuração do motor. Conecte o computador ao motor de depuração com um módulo USB-CAN.
2. Atribua o CAN ID do motor. Defina o valor de ab/ad como 1, quadril como 2 e joelho como 3.
3. Defina a posição zero da junta e a direção positiva sequencialmente, conforme mostrado na Figura 6.

4. Esquema de controle

1. Estabelecer a relação de transmissão cinemática entre as ligações do robô, conforme indicado por
   
   NOTA: O eixo z se alinha com o eixo da junta i enquanto o eixo se alinha ao longo da perpendicular comum entre os eixos da junta i e i + 1, direcionado da junta i para i + 1. Se os eixos se cruzam, x_i é perpendicular ao plano de interseção. a_i-1 é o ângulo de rotação em torno de x_i-1 de z_i-1 a z_i; a_i-1 é a distância ao longo de x_i-1 de z_i-1 a z_i; θ_i é o ângulo de rotação em torno de z_i de x_i-1 a x_i; e di é a distância ao longo de z_i de x_i-1 a x_i.
2. Estabelecer equação dinâmica de corpo inteiro dada por
   
   NOTA: J_c e f_c denotam as forças do pé de mapeamento da matriz jacobiana para o espaço articular e a força de contato do pé, respectivamente. M(q) é a matriz de inércia, representa os termos centrífugos e de Coriolis, e g(q) é a força gravitacional no robô.
3. Estabeleça equações de controle de equilíbrio de corpo inteiro.
   NOTA: A lei de controle para o módulo bípede integra o controle de modelo virtual (VMC) e o controle de corpo inteiro (WBC). Para equações de controle detalhadas, consulte um trabalho anterior²⁰.

5. Escreva o programa

1. Use ST-LINK para importar o binário (BIN) file do programa de comunicação entre o MCU e o motor para a placa SPI.
   NOTA: A placa SPI serve como módulo de comunicação entre o MCU e os motores, com o STM32 como núcleo de controle.
2. Transmita o programa de controle de locomoção do robô compilado do PC para o MCU por meio de um cabo Ethernet.

6. Iniciando o módulo do robô bípede

1. Defina o robô para a postura inicial, conforme ilustrado (Figura 7A).
2. Inicie o arquivo executável compilado a partir do código de controle no MCU.
3. Envie o comando stand para o robô usando o controle remoto (Figura 7B).
   NOTA: Os botões do controle remoto podem ser configurados conforme necessário. Recomenda-se que o joystick seja usado para controlar a velocidade e os botões alternem entre diferentes estados.
4. Ative o modo de locomoção do robô através do controle remoto (Figura 7C).
5. Use o joystick do controle remoto para manobrar o robô para frente, para trás e para dirigir.

7. Iniciando o robô quadrúpede reconfigurado modularmente

1. Configure os roteadores dos dois módulos bípedes para estarem no mesmo segmento de rede.
2. Estabelecer a estrutura de controle distribuído com base em Lightweight Communications and Marshalling (LCM)²¹.
3. Instale os componentes do dispositivo de emenda montados na cabeça do robô bípede.
4. Posicione os dois módulos bípedes no estado inicial conforme especificado e ative a força magnética do dispositivo de emenda.
5. Inicie os programas executáveis dos dois módulos bípedes separadamente.
6. Transmita o comando permanente para o robô através do controle remoto.
7. Ative o modo de locomoção do robô através do controle remoto.
8. Use o joystick do controle remoto para manobrar o robô de emenda para frente, para trás e para dirigir.

Para validar a eficácia do sistema proposto, realizamos testes de caminhada ao ar livre em vários terrenos. Inicialmente, um único módulo bípede foi selecionado como cobaia e os testes de movimento foram realizados em grama artificial e pista sintética. Conforme mostrado na Figura 8, o robô demonstrou locomoção estável em ambos os terrenos. Os dados de postura e torque articular do robô durante a locomoção são mostrados na Figura 9. A amplitude das flutuações do ângulo de rotação e inclinação do robô permanece dentro de 0,04 rad (a referência é 0), indicando sua capacidade decente no controle de postura. Por outro lado, os dados de torque da junta não mostram pontas ou falhas acentuadas, com transições relativamente suaves, confirmando ainda mais a operação estável do robô com apenas uma leve vibração.

No experimento de reconfiguração (Figura 11), montamos um robô quadrúpede composto usando duas unidades bípedes e o controlamos para obter movimento omnidirecional por meio de uma abordagem de controle distribuído. A comutação dinâmica entre as configurações bípede e quadrúpede foi alcançada com sucesso controlando remotamente a ativação e desativação da força de adesão do dispositivo eletromagnético. No campo de neve mostrado na Figura 11B, um único módulo bípede ocasionalmente experimenta deslizamento e instabilidade. No entanto, quando os dois módulos são combinados, a estabilidade geral é aprimorada, permitindo uma locomoção estável na neve.

Figura 1: A construção da perna. (A) Monte as articulações e fixadores das pernas. (B) Integre o motor na articulação. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 2: A instalação da estrutura bípede. (A) A placa de fibra de carbono e os conectores usados para fixação. (B) A estrutura do membro inferior bípede montada. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 3: A instalação do dispositivo de emenda. (A) Os componentes do mecanismo de emenda. (B) O mecanismo de emenda montado. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 4: Montagem do módulo de gerenciamento de energia. (A) O diagrama esquemático do módulo de gerenciamento de energia. (B) A imagem física do módulo. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 5: Diagrama da estrutura interna da caixa de controle. (A) As partes internas. (B) O esquema de suas conexões elétricas. (C) A integração física da caixa de controle. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 6: Esquema da posição zero conjunta do robô. q_i denota os graus ativos de liberdade nas pernas do robô, enquanto L_i representa os comprimentos das respectivas ligações. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 7: Procedimento de inicialização do robô. (A) Posicionado na postura inicial. (B) Controle o robô para ficar em pé. (C) Ative o modo de locomoção. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 8: Locomoção externa do módulo bípede. (A) Instantâneos do robô bípede andando de forma estável em grama artificial. (B) Instantâneos da locomoção para frente do robô bípede em uma pista sintética. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 9: Dados registrados de experimentos bípedes ao ar livre. (A) Os dados de caminhada na grama artificial. (B) Os dados de caminhada em uma pista sintética. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 10: Diagrama de blocos do sistema de controle distribuído para o robô de acoplamento modular. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

Figura 11: Experiência de locomoção externa com comutação de configuração. (A) Experimento de locomoção de pastagem de configuração quadrúpede. (B) Experimento de locomoção de neve de configuração quadrúpede. Clique aqui para ver uma versão maior desta figura.

O robô de pernas modulares proposto neste artigo oferece uma nova perspectiva sobre o design de robôs de pernas Essa abordagem apresentada neste artigo foi validada experimentalmente, confirmando sua capacidade de reconfiguração de configuração e movimento coordenado. As seções 1, 2, 4 e 5 deste protocolo representam os estágios críticos na implementação deste projeto, abrangendo o desenvolvimento da estrutura mecânica do robô e do sistema de controle elétrico.

Há uma demanda crescente por robôs com pernas com alta estabilidade e capacidade de carga pesada em aplicações práticas. Por exemplo, em cenários de resgate em desastres, eles devem transportar equipamentos e suprimentos em terrenos acidentados, como detritos e escombros²². A maioria dos robôs com pernas adota uma abordagem de projeto estrutural integrado, mas essa abordagem enfrenta problemas como baixa adaptabilidade a várias tarefas, altas taxas de falha e baixa eficiência de manutenção. Além disso, a mobilidade ágil dos robôs com pernas e sua alta capacidade de carga são difíceis de equilibrar simultaneamente. Em contraste, os robôs de pernas modulares oferecem vantagens como comutação de configuração flexível e conveniência de manutenção aprimorada devido ao seu conceito de design modular.

Atualmente, a pesquisa sobre robôs modulares ainda está em fase exploratória, embora alguns resultados preliminares tenham sido alcançados. Os estudos existentes sobre robôs de pernas modulares se concentram em plataformas de pequena escala, utilizando principalmente locomoção rastejante ou rastejante com mobilidade limitada. Além disso, a maioria dos robôs modulares requer a combinação de vários módulos para obter movimento, e os módulos individuais têm pouca mobilidade e não possuem recursos de reconfiguração autônoma. O sistema proposto neste artigo oferece vantagens em termos de flexibilidade de movimento e facilidade de encaixe. Conforme validado anteriormente²⁰, este módulo bípede é capaz de executar corrida em alta velocidade, e seu método de encaixe usado neste artigo não requer a instalação manual de pinos, fixadores ou outras operações complicadas.

Aqui, descrevemos e discutimos vários cenários típicos de aplicação do método proposto neste artigo. Por exemplo, nos setores industrial e de construção, os robôs com pernas são necessários para transportar materiais pesados ou equipamentos de medição para áreas de construção, especialmente em zonas estreitas ou perigosas onde as máquinas tradicionais não podem acessar²³. Outro cenário de aplicação típico é a rápida exploração ou reconhecimento de uma área desconhecida. O robô modular e reconfigurável proposto aqui pode alavancar suas vantagens de controle distribuído decompondo a estrutura em vários módulos bípedes, permitindo a exploração colaborativa em várias direções e regiões. Isso pode melhorar a eficiência do mapeamento e do reconhecimento.

A chave para este protocolo é a locomoção estável do módulo bípede. Se não for iniciado corretamente, recomenda-se solucionar os seguintes aspectos. Primeiro, o software de depuração do motor fornecido pelo fabricante é usado para testar se cada motor funciona normalmente. Em seguida, um voltímetro é usado para verificar a tensão de alimentação em cada interface da placa de alimentação para garantir que a tensão de entrada para o controlador, motores e outros módulos esteja correta. Depois de confirmar que a tensão está correta, use um analisador CAN para verificar se as portas CAN da placa SPI e da placa de alimentação estão emitindo os sinais de acionamento do motor e verificar a estabilidade da frequência. Finalmente, se o robô não conseguir ficar na postura predefinida (conforme mostrado na Figura 7) após a inicialização, verifique se as posições zero do motor estão definidas corretamente. Devido às diferentes características mecânicas dos robôs, os parâmetros de controle de locomoção precisam ser ajustados de acordo com as circunstâncias específicas. Atualmente, o robô requer assistência de controle remoto manual para acoplamento. Além disso, o mecanismo de acoplamento do robô utiliza conexões rígidas, que podem não ser a escolha ideal em certos casos especiais. No futuro, exploraremos projetos de mecanismos articulados com graus ativos de liberdade para aumentar ainda mais a flexibilidade dos robôs de pernas modulares. A integração de um módulo de visão também está entre nossos próximos planos de pesquisa, com o objetivo de permitir o acoplamento autônomo com base em informações visuais.

Os autores declaram que não têm interesses financeiros concorrentes.

Os autores gostariam de expressar sua gratidão ao Sr. Xianwu Zeng por sua ajuda na realização dos experimentos relatados neste artigo. Este trabalho foi apoiado em parte pela Fundação Nacional de Ciências Naturais da China (62373223) e pela Fundação de Ciências Naturais da Província de Shandong (ZR2024ZD06).