Проектирование и управление высокодинамичной модульной реконфигурируемой роботизированной системой на ногах

В этой статье мы представляем протокол, позволяющий новичкам воспроизвести высокодинамичную двуногую роботизированную систему и модульного четвероногого робота, состоящего из двуногих как самых маленьких единиц.

Ноженогие роботы обладают исключительной адаптивностью к местности, что делает их идеальной платформой для исследования на открытом воздухе и транспортировки грузов по сложным ландшафтам. Количество и конфигурация ног играют решающую роль в их работоспособности; Тем не менее, большинство современных конструкций являются монолитными, им не хватает гибкости для перенастройки. Протокол, представленный в этой статье, подробно описывает разработку и изготовление модульной роботизированной системы с ногами с надежными возможностями ходьбы и гибкой реконфигурацией между двуногими и четвероногими конфигурациями. Во-первых, различные функциональные модули механически собираются для завершения конструкции двуногой платформы и сборки модульного соединительного устройства. Впоследствии, используя программное обеспечение для отладки, мы настроили инерциальный измерительный блок и двигатели, включая набор идентификатора (ID) контроллера и сети CAN, скорость передачи данных и другие рабочие параметры, чтобы убедиться, что они находятся в правильном рабочем состоянии. Затем мы разработали стратегию управления всем телом и распределенную систему управления, чтобы обеспечить стабильную ходьбу двуногого устройства и скоординированное движение собранной конструкции соответственно. Наконец, мы проверили эффективность системы как на двуногих, так и на четвероногих, что позволило роботу добиться стабильной ходьбы на открытом воздухе.

Ножные роботы, использующие дискретный опорный механизм, демонстрируют превосходную адаптивность к местности и маневренность ^1,2. В последние годы роботы с ногами были задействованы в таких сценариях, как спасательные и поисковые операции, достигнув благоприятных результатов ^3,4,5. Одноногие роботы различных конфигураций обладают явными преимуществами для решения различных задач. Двуногие роботы, благодаря своей простой конструкции, могут перемещаться в узких пространствах, но имеют ограниченную грузоподъемность. Четвероногие роботы более сложны, но могут перевозить более тяжелые грузы и двигаться быстрее. Роботы с шестью и более ногами обеспечивают большую устойчивость, но их сложнее обслуживать. Тем не менее, существующие роботы с ножками обычно используют интегрированную конструкцию, характеризующуюся единой конфигурацией, которой не хватает гибкости для адаптации или переключения между различными^{конфигурациями.} Такой подход к проектированию приводит к частому количеству неисправностей и создает значительные проблемы с техническим обслуживанием, поскольку отдельные точки отказа могут привести к сбою системы. В отличие от них, роботы, спроектированные с использованием концепции модульной сборки, могут легко перестраиваться в соответствии с различными требованиями задач ^9,10. При столкновении с пересеченной местностью они могут повысить проходимость за счет увеличения количества опор или модулей¹¹.

В настоящее время исследования роботов с модульными ногами все еще находятся на стадии подготовки, в первую очередь фокусируясь на небольших или миниатюрных платформах, которые в основном передвигаются ползком или скользя 11,12,13,14,15. Некоторые сборочные подмодули даже не имеют возможности самостоятельного перемещения и могут достичь мобильности только в сочетании^16,17. Это затрудняет их развертывание в практических сценариях для таких задач, как транспортировка и разведка. Для решения этих проблем в данной статье предлагается роботизированная система с модульными ногами и гибкими возможностями мобильности. В отличие от предыдущих методов, ножки сборочных субмодулей в этой статье вдохновлены конфигурацией ног млекопитающих, обеспечивая возможности быстрого бега. Мы выбрали двуногого робота в качестве самого маленького модуля сращивания из-за его простой конструкции, стабильной способности ходить и более похожего на человеческий стиль ходьбы^18,19.

Кроме того, некоторые из упомянутых выше модульных роботов с ножками используют защелки или крепежные элементы для соединения модулей¹², ослабляя их возможности быстрого подключения и разъединения. Чтобы упростить процесс подключения и избежать использования зажимов и креплений, мы используем электромагнитный механизм крепления между модулями с контролируемой и гибкой активацией/деактивацией магнитной силы. Чтобы в полной мере использовать преимущества модульного робота на ногах, мы применяем подход распределенного управления для управления локомоцией робота, обсуждаемого в этой статье. Эффективность построенной системы и метода управления была подтверждена в ходе экспериментов на прототипах. Предлагаемая система может помочь в удовлетворении потребностей в крупномасштабной транспортировке материалов в неструктурированной местности или в быстрой разведке в неизвестных условиях.

Цель данного протокола состоит в том, чтобы подробно представить процесс проектирования и производства системы, описанной в этом документе, что позволит заинтересованным сторонам воспроизвести или создать роботов с аналогичной функциональностью для удовлетворения своих потребностей. Двуногий модуль в этой статье основан на нашей предыдущей работе. Мы установили на него стыковочный механизм и выполнили тонкую настройку параметра²⁰.

1. Конструкция машины

1. Соберите рычажный механизм, корпус и кожух с помощью винтов и крепежных элементов, а затем подсоедините собранный рычажный механизм к шпоночному штифту выходного вала двигателя с помощью крепежных элементов (Рисунок 1).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Нога, которая состоит из рычажного механизма, двигателя, подшипников и т. д., является основным компонентом робота, отвечающим за его движение.
2. Инициализируйте двигатели с помощью программного обеспечения, предоставленного производителем двигателя. Это включает в себя калибровку датчиков Холла и энкодеров.
3. Закрепите две собранные ножки пластинами из углеродного волокна и соответствующими соединителями, чтобы создать двуногую конструкцию, как показано на рисунке (рис. 2).
4. Зафиксируйте углепластиковую трубку с обеих сторон стыковочного устройства винтами и закрепите электромагнит в его центральном пазе (см. рисунок 3).

2. Сборка блока управления

1. Соберите плату питания на основе принципиальной и физической схемы, показанной на рисунке 4.
2. Расположите и закрепите модуль управления питанием, инерциальный измерительный блок (IMU), блок микроконтроллера (MCU) и другие компоненты в назначенных местах, как показано на рисунке (рис. 5).
3. Подключите порт универсальной последовательной шины (USB) микроконтроллера к IMU с помощью разъема JT30-USB.
4. Подключите порт Ethernet микроконтроллера к маршрутизатору с помощью кабеля Ethernet.
5. Используйте проводку для подключения выключателя двигателя, переключателя MCU и главного выключателя к соответствующим интерфейсам на модуле управления питанием.
6. Подключите интерфейсы CAN1 и CAN2 платы последовательного периферийного интерфейса (SPI) к интерфейсам CAN1 и CAN2 модуля управления питанием соответственно.
7. Подключите все двигатели к интерфейсам питания и CAN на модуле управления питанием через соответствующие интерфейсы.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Двигатели левой ноги подключены к левому интерфейсу питания и CAN на модуле управления питанием через левый разъем на блоке управления; Аналогичным образом соединяется и правая сторона.

3. Отладка двигателей

1. Откройте программное обеспечение для отладки двигателя. Подключите компьютер к отладочному мотору с помощью модуля USB-CAN.
2. Назначьте CAN ID мотора. Установите значение ab/ad равным 1, бедру — 2, колену — 3.
3. Установите нулевое положение стыка и положительное направление последовательно, как показано на рисунке 6.

4. Схема управления

1. Установите соотношение кинематической передачи между звеньями робота, как задается как
   
   ПРИМЕЧАНИЕ: Ось z выравнивается по оси соединения i, в то время как ось выравнивается по общему перпендикуляру между осями соединения i и i + 1, направленному от соединения i к i + 1. Если оси пересекаются, x_i перпендикулярен плоскости пересечения. a_i-1 — угол поворота около x_i-1 от z_i-1 до z_i; a_i-1 — расстояние вдоль x_i-1 от z_i-1 до z_i; θ_i — угол поворота около z_i от x_i-1 до x_i; а di — расстояние вдоль z_i от x_i-1 до x_i.
2. Установите уравнение динамики всего тела, заданное как
   
   ПРИМЕЧАНИЕ: J_c и _{f c} обозначают якобианскую матрицу, отображающую силы стопы на пространство в суставе и контактную силу стопы соответственно. M(q) — матрица инерции, представляет центробежный и кориолисовый члены, а g(q) — гравитационная сила, действующая на робота.
3. Установите уравнения для контроля равновесия всего тела.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Закон управления для двуногого модуля объединяет управление виртуальной моделью (VMC) и управление всем телом (WBC). Подробные уравнения управления см. в предыдущей работе²⁰.

5. Напишите программу

1. Используйте ST-LINK для импорта двоичного файла (BIN) программы связи между микроконтроллером и двигателем на плату SPI.
   ПРИМЕЧАНИЕ: Плата SPI служит в качестве модуля связи между микроконтроллером и двигателями, а STM32 является ядром управления.
2. Передача скомпилированной программы управления передвижением робота с ПК на микроконтроллер по кабелю Ethernet.

6. Запуск модуля двуногого робота

1. Установите робота в исходное положение, как показано на рисунке 7А.
2. Запустите исполняемый файл, скомпилированный из управляющего кода на микроконтроллере.
3. Отправьте команду на стенд роботу с помощью пульта дистанционного управления (рис. 7B).
   ПРИМЕЧАНИЕ: Кнопки дистанционного управления можно настроить по мере необходимости. Рекомендуется использовать джойстик для управления скоростью, а кнопки переключаться между различными состояниями.
4. Активируйте режим передвижения робота с помощью пульта дистанционного управления (рис. 7C).
5. Используйте джойстик пульта дистанционного управления, чтобы маневрировать роботом вперед, назад и управлять автомобилем.

7. Запуск модульного перенастроенного четвероногого робота

1. Настройте маршрутизаторы двух двуногих модулей так, чтобы они находились в одном сегменте сети.
2. Создание распределенной структуры управления на основе облегченных систем связи и маршалинга (LCM)²¹.
3. Установите собранные компоненты устройства сращивания на голову двуногого робота.
4. Установите два двуногих модуля в исходное положение, как указано, и активируйте магнитную силу устройства для сращивания.
5. Запускайте исполняемые программы двух двуногих модулей по отдельности.
6. Передайте команду стоя роботу через пульт дистанционного управления.
7. Активируйте режим передвижения робота с помощью пульта дистанционного управления.
8. Используйте джойстик пульта дистанционного управления, чтобы маневрировать роботом для сращивания вперед, назад и поворачивать машину.

Чтобы проверить эффективность предложенной системы, мы провели испытания ходьбы на открытом воздухе на нескольких участках. Изначально в качестве испытуемого был выбран одиночный двуногий модуль, а тесты движения проводились как на искусственной траве, так и на синтетической трассе. Как показано на рисунке 8, робот продемонстрировал стабильное передвижение на обеих участках местности. Данные о положении и крутящем моменте в суставах робота во время передвижения показаны на рисунке 9. Амплитуда колебаний угла крена и угла тангажа робота остается в пределах 0,04 рад (эталон равен 0), что указывает на его неплохие возможности в управлении осанкой. С другой стороны, данные о крутящем моменте в суставах не показывают резких скачков или сбоев с относительно плавными переходами, что еще раз подтверждает стабильную работу робота при лишь небольшой вибрации.

В эксперименте по реконфигурации (рис. 11) мы собрали композитного четвероногого робота с помощью двух двуногих блоков и управляли им для достижения всенаправленного движения с помощью распределенного подхода к управлению. Динамическое переключение между двуногой и четвероногой конфигурациями было успешно достигнуто за счет дистанционного управления активацией и деактивацией силы сцепления электромагнитного устройства. В снежном поле, показанном на рисунке 11B, один двуногий модуль иногда испытывает проскальзывание и неустойчивость. Однако, когда эти два модуля объединены, общая устойчивость повышается, что обеспечивает стабильное передвижение по снегу.

Рисунок 1: Конструкция опоры. (A) Соберите тяги и крепления ног. (B) Вставьте двигатель в рычажный механизм. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 2: Установка двуногой конструкции. (A) Пластина из углеродного волокна и соединители, используемые для фиксации. (В) Собранная двуногая конструкция нижней конечности. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 3: Установка устройства для сращивания. (A) Компоненты механизма сращивания. (B) Собранный механизм сращивания. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 4: Сборка модуля управления питанием. (A) Принципиальная схема модуля управления питанием. (B) Физическое изображение модуля. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 5: Схема внутренней структуры блока управления. (A) Внутренние детали. (В) Схема его электрических соединений. (C) Физическая интеграция блока управления. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 6: Схема нулевого положения шарнира робота. q_i обозначает активные степени свободы в ногах робота, в то время как L_i представляет длину соответствующих связей. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 7: Процедура запуска робота. (А) Положение в исходной позе. (B) Управляйте роботом, чтобы он стоял прямо. (C) Активируйте режим передвижения. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 8: Передвижение двуногого модуля на открытом воздухе. (A) Снимки двуногого робота, уверенно идущего по искусственному газону. (B) Снимки передвижения вперед двуногого робота на синтетической гусенице. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 9: Данные, полученные в ходе экспериментов на двух ногах на открытом воздухе. (А) Данные о ходьбе по искусственной траве. (B) Данные о ходьбе по синтетической дорожке. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 10: Структурная схема распределенной системы управления модульным сцепным роботом. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Рисунок 11: Эксперимент по переключению конфигурации на открытом воздухе. (А) Эксперимент по передвижению на пастбищах на четвероногих коленях. (B) Эксперимент по передвижению снега на четвероногих коленях. Пожалуйста, нажмите здесь, чтобы просмотреть увеличенную версию этой цифры.

Предложенный в данной статье модульный робот с ножками предлагает новый взгляд на конструкцию робота на ногах, где реконфигурация и скоординированное движение достигаются за счет комбинации нескольких распределенных модулей ног. Этот подход, представленный в данной статье, был экспериментально проверен, подтвердив его способность к изменению конфигурации и скоординированному движению. Разделы 1, 2, 4 и 5 настоящего протокола представляют собой критические этапы реализации данного проекта, охватывающие разработку как механической структуры робота, так и электрической системы управления.

В практическом применении растет спрос на роботов с ногами, обладающих высокой устойчивостью и грузоподъемностью. Например, в сценариях спасения при стихийных бедствиях они должны перевозить оборудование и припасы по пересеченной местности, такой как обломки и щебень²². В большинстве роботов с ногами используется интегрированный подход к структурному проектированию, но этот подход сталкивается с такими проблемами, как плохая адаптивность к нескольким задачам, высокая частота отказов и низкая эффективность технического обслуживания. Кроме того, маневренность ножных роботов и их высокая несущая способность трудно сбалансировать одновременно. В отличие от них, модульные роботы с ножками обладают такими преимуществами, как гибкое переключение конфигураций и повышенное удобство технического обслуживания благодаря модульной концепции конструкции.

В настоящее время исследования модульных роботов все еще находятся на стадии разведки, хотя некоторые предварительные результаты уже достигнуты. Существующие исследования модульных роботов на ногах сосредоточены на небольших платформах, в первую очередь использующих ползучее или ползучее передвижение с ограниченной подвижностью. Кроме того, большинство модульных роботов требуют комбинации нескольких модулей для достижения движения, а отдельные модули имеют плохую мобильность и не имеют возможностей автономной реконфигурации. Система, предложенная в данной статье, обладает преимуществами с точки зрения гибкости перемещения и простоты стыковки. Как было подтверждено ранее²⁰, этот двуногий модуль способен выполнять высокоскоростной ход, а его метод стыковки, используемый в данной статье, не требует ручной установки штифтов, крепежных элементов или других громоздких операций.

Здесь мы намечаем и обсудим несколько типичных сценариев применения метода, предложенного в данной статье. Например, в промышленном и строительном секторах ножные роботы необходимы для транспортировки тяжелых материалов или измерительного оборудования в строительные зоны, особенно в узких или опасных зонах, куда традиционное оборудование^{не может получить} доступ. Еще один типичный сценарий применения — быстрая разведка или рекогносцировка неизвестного района. Предлагаемый здесь модульный, реконфигурируемый робот может использовать свои преимущества распределенного управления за счет разложения структуры на несколько двуногих модулей, что позволяет проводить совместные исследования в нескольких направлениях и регионах. Это может повысить эффективность картографирования и рекогносцировки.

Ключом к этому протоколу является стабильное передвижение двуногого модуля. Если он не запускается должным образом, рекомендуется устранить следующие аспекты. Во-первых, программное обеспечение для отладки двигателя, предоставленное производителем, используется для проверки нормальной работы каждого двигателя. Затем вольтметр используется для проверки напряжения питания на каждом интерфейсе платы питания, чтобы убедиться в правильности входного напряжения контроллера, двигателей и других модулей. Убедившись в правильности напряжения, используйте CAN-анализатор, чтобы проверить, выводят ли сигналы электропривода CAN-порты платы SPI и платы питания, а также проверить стабильность частоты. Наконец, если робот не может встать в заданное положение (как показано на рисунке 7) после запуска, проверьте, правильно ли установлены нулевые положения двигателя. Из-за различных механических характеристик роботов параметры управления локомоцией необходимо регулировать в соответствии с конкретными обстоятельствами. В настоящее время роботу требуется ручное дистанционное управление для стыковки. Кроме того, в стыковочном механизме робота используются жесткие соединения, что может быть не лучшим выбором в некоторых особых случаях. В будущем мы будем изучать конструкции шарнирных механизмов с активными степенями свободы, чтобы еще больше повысить гибкость роботов с модульными ногами. Интеграция модуля технического зрения также входит в наши предстоящие исследовательские планы с целью обеспечения автономной стыковки на основе визуальной информации.

Авторы заявляют, что у них нет конкурирующих финансовых интересов.

Авторы выражают свою благодарность г-ну Сяньву Цзэну за его помощь в проведении экспериментов, описанных в данной статье. Эта работа была частично поддержана Национальным фондом естественных наук Китая (62373223) и Фондом естественных наук провинции Шаньдун (ZR2024ZD06).