Yüksek Dinamik Modüler Yeniden Yapılandırılabilir Ayaklı Robotik Sistem Tasarımı ve Kontrolü

Burada, yeni başlayanların son derece dinamik bir iki ayaklı robotik sistemi ve en küçük birimler olarak iki ayaklılardan oluşan modüler dört ayaklı bir robotu kopyalamalarını sağlayacak bir protokol sunuyoruz.

Bacaklı robotlar, olağanüstü arazi uyarlanabilirliğine sahiptir ve bu da onları karmaşık arazilerde açık hava keşif ve kargo taşımacılığı için ideal bir platform haline getirir. Bacakların sayısı ve konfigürasyonu performanslarında çok önemli bir rol oynar; Bununla birlikte, mevcut tasarımların çoğu monolitiktir ve yeniden yapılandırma esnekliğinden yoksundur. Bu belgede sunulan protokol, sağlam yürüme özelliklerine ve iki ayaklı ve dört ayaklı konfigürasyonlar arasında esnek yeniden yapılandırmaya sahip modüler bacaklı bir robot sisteminin tasarımını ve üretimini detaylandırmaktadır. İlk olarak, iki ayaklı platformun yapımını ve modüler bağlantı cihazının montajını tamamlamak için çeşitli fonksiyonel modüller mekanik olarak monte edilir. Daha sonra, hata ayıklama yazılımını kullanarak, doğru çalışma durumunda olduklarından emin olmak için ayarlanmış denetleyici alan ağı (CAN), kimlik (ID), baud hızı ve diğer çalışma parametreleri dahil olmak üzere atalet ölçüm birimini ve motorları yapılandırdık. Ardından, iki ayaklı ünitenin dengeli bir şekilde yürümesini ve monte edilen yapının koordineli hareketini sağlamak için bir tüm vücut kontrol stratejisi ve dağıtılmış bir kontrol çerçevesi tasarladık. Son olarak, sistemin hem iki ayaklı hem de dört ayaklı konfigürasyonlardaki etkinliğini doğruladık ve robotun istikrarlı bir açık hava yürüyüşü elde etmesini sağladık.

Ayrı bir destek mekanizması kullanan bacaklı robotlar, üstün arazi adaptasyonu ve çeviklik sergiler ^1,2. Son yıllarda, bacaklı robotlar kurtarma ve arama operasyonları gibi senaryolarda konuşlandırıldı ve olumlu sonuçlar elde edildi ^3,4,5. Çeşitli konfigürasyonlara sahip bacaklı robotlar, farklı görevler için belirgin avantajlar sunar. İki ayaklı robotlar, basit tasarımları ile dar alanlarda gezinebilir ancak sınırlı yük kapasitesine sahiptir. Dört ayaklı robotlar daha karmaşıktır ancak daha ağır yükler taşıyabilir ve daha hızlı hareket edebilir. Altı veya daha fazla bacağı olan robotlar daha fazla stabilite sağlar ancak bakımı daha zordur. Bununla birlikte, mevcut bacaklı robotlar genellikle, farklı konfigürasyonlara uyum sağlama veya bunlar arasında geçiş yapma esnekliğinden yoksun tekil bir konfigürasyon ile karakterize edilen entegre bir tasarım kullanır ^6,7,8. Bu tasarım yaklaşımı, yüksek hata insidansına neden olur ve tek arıza noktaları sistemin çökmesine yol açabileceğinden, önemli bakım zorlukları sunar. Buna karşılık, modüler montaj konseptiyle tasarlanan robotlar, farklı görev gereksinimlerini karşılamak için kolayca yeniden yapılandırılabilir ^9,10. Engebeli araziyle karşı karşıya kaldıklarında, bacak veya modül^{sayısını 11} artırarak hareket kabiliyetlerini artırabilirler.

Şu anda, modüler bacaklı robotlar üzerine yapılan araştırmalar hala keşif aşamasındadır ve öncelikle esas olarak sürünerek veya kayarak hareket eden küçük veya minyatür bacaklı platformlara odaklanmaktadır 11,12,13,14,15. Bazı montaj alt modülleri bağımsız hareket yeteneklerinden bile yoksundur ve yalnızca bir araya getirildiğinde hareketlilik sağlayabilir^16,17. Bu, nakliye ve keşif gibi görevler için pratik senaryolarda konuşlandırılmalarını zorlaştırır. Bu zorlukların üstesinden gelmek için bu makale, esnek mobilite yeteneklerine sahip modüler bacaklı bir robotik sistem önermektedir. Önceki yöntemlerden farklı olarak, bu belgedeki montaj alt modüllerinin bacakları, memeli bacağı konfigürasyonundan esinlenerek hızlı çalışma yetenekleri sağlar. Basit yapısı, stabil yürüme kabiliyeti ve daha insan benzeri yürüme tarzı^18,19 nedeniyle iki ayaklı robotu en küçük ekleme modülü olarak seçiyoruz.

Ek olarak, yukarıda bahsedilen modüler bacaklı robotlardan bazıları, modülleri¹² bağlamak için mandallar veya bağlantı elemanları kullanır, bu da hızlı bağlantı ve bağlantı kesme yeteneklerini zayıflatır. Bağlantı sürecini basitleştirmek ve klips ve bağlantı elemanlarının kullanılmasını önlemek için, manyetik kuvvetin kontrol edilebilir ve esnek bir şekilde etkinleştirilmesi/devre dışı bırakılması ile modüller arasında bir elektromanyetik bağlantı mekanizması kullanıyoruz. Modüler bacaklı robotun avantajlarından tam olarak yararlanmak için, bu yazıda tartışılan robotun hareketini yönetmek için dağıtılmış bir kontrol yaklaşımı kullanıyoruz. İnşa edilen sistemin ve kontrol yönteminin etkinliği prototip deneyler ile doğrulanmıştır. Önerilen sistem, yapılandırılmamış arazilerde büyük ölçekli malzeme taşımacılığı veya bilinmeyen ortamlarda hızlı keşif ihtiyaçlarının karşılanmasına yardımcı olabilir.

Bu protokolün amacı, bu yazıda açıklanan sistemin tasarım ve üretim sürecini kapsamlı bir şekilde sunmak ve ilgili tarafların ihtiyaçlarını karşılamak için benzer işlevselliğe sahip robotları çoğaltmalarını veya oluşturmalarını sağlamaktır. Bu makaledeki iki ayaklı modül, önceki çalışmalarımıza dayanmaktadır. Üzerine bir yerleştirme mekanizması kurduk ve parametre ince ayarını²⁰ gerçekleştirdik.

1. Makinenin yapımı

1. Vidaları ve bağlantı elemanlarını kullanarak bağlantıyı, muhafazayı ve baldırı monte edin ve ardından monte edilen bağlantıyı, bağlantı elemanlarını kullanarak motor çıkış milinin anahtar pimine bağlayın (Şekil 1).
   NOT: Bağlantıyı, motoru, yatakları vb. içeren bacak, robotun hareketinden sorumlu birincil bileşenidir.
2. Motor üreticisi tarafından sağlanan yazılımı kullanarak motorları başlatın. Bu, Hall sensörlerinin ve kodlayıcıların kalibrasyonunu içerir.
3. Şekilde gösterildiği gibi iki ayaklı bir yapı oluşturmak için monte edilmiş iki ayağı karbon fiber plakalar ve uygun konektörlerle sabitleyin (Şekil 2).
4. Karbon fiber boruyu yerleştirme cihazının her iki tarafına vidalarla sabitleyin ve elektromıknatısı merkezi oluğuna sabitleyin (bkz. Şekil 3).

2. Kontrol kutusunun oluşturulması

1. Güç kartını Şekil 4'te gösterilen devre şeması ve fiziksel şemasına göre monte edin.
2. Güç yönetimi modülünü, atalet ölçüm birimini (IMU), mikrodenetleyici birimini (MCU) ve diğer bileşenleri gösterildiği gibi belirlenen konumlarına yerleştirin ve emniyete alın (Şekil 5).
3. MCU'nun evrensel seri veri yolu (USB) bağlantı noktasını JT30-USB konektörünü kullanarak IMU'ya bağlayın.
4. MCU'nun Ethernet bağlantı noktasını bir Ethernet kablosu kullanarak yönlendiriciye bağlayın.
5. Motor anahtarını, MCU anahtarını ve ana anahtarı güç yönetimi modülündeki ilgili arayüzlerine bağlamak için kabloları kullanın.
6. Seri çevre arabirimi (SPI) kartının CAN1 ve CAN2 arabirimlerini sırasıyla güç yönetimi modülünün CAN1 ve CAN2 arabirimlerine bağlayın.
7. Tüm motorları, ilgili arayüzleri aracılığıyla güç yönetimi modülündeki güç ve CAN arayüzlerine bağlayın.
   NOT: Sol bacağın motorları, kontrol kutusundaki sol taraftaki konektör aracılığıyla güç yönetimi modülündeki sol taraftaki güç ve CAN arayüzlerine bağlanır; Sağ taraf da benzer şekilde bağlanmıştır.

3. Motorlarda hata ayıklama

1. Motor hata ayıklama yazılımını açın. Bilgisayarı bir USB-CAN modülü ile hata ayıklama motoruna bağlayın.
2. Motorun CAN ID'sini atayın. ab/ad değerini 1'e, kalçayı 2'ye ve diz değerini 3'e ayarlayın.
3. Eklem sıfır konumunu ve pozitif yönünü Şekil 6'da gösterildiği gibi sırayla ayarlayın.

4. Kontrol şeması

1. Robotun bağlantıları arasındaki kinematik iletim ilişkisini şu şekilde verilir:
   
   NOT: Z ekseni eklem ekseni i ile hizalanırken, eksen eklem eksenleri i ve i + 1 arasındaki ortak dik boyunca hizalanır ve eklem i'den i + 1'e yönlendirilir. Eksenler kesişirse, x_i kesişme düzlemine diktir. A_I-1, Z _{I-1'den Z I'ye x I-1} etrafındaki dönüş açısıdır; A_I-1, X_I-1 boyunca Z_{I-1'den ZI'ye} olan mesafedir; θ_I, X_I-1'den X_I'ye kadar Z_I etrafındaki dönüş açısıdır; ve di, z i boyunca x _i-1'den x_i'ye olan mesafedir.
2. tarafından verilen tam vücut dinamik denklemini kurun
   
   NOT: _JC ve fc, sırasıyla ayak kuvvetlerini eklem boşluğuna ve ayak temas kuvvetine eşleyen Jacobian matrisini belirtir. M(q) atalet matrisidir, merkezkaç ve Coriolis terimlerini temsil eder ve g(q) robot üzerindeki yerçekimi kuvvetidir.
3. Tüm vücut dengesi kontrol denklemlerini kurar.
   NOT: İki ayaklı modülün kontrol yasası, sanal model kontrolünü (VMC) ve tüm vücut kontrolünü (WBC) entegre eder. Ayrıntılı kontrol denklemleri için, önceki bir çalışmaya^{bakın 20}.

5. Programı yazın

1. MCU ile motor arasındaki iletişim programının ikili (BIN) dosyasını SPI kartına aktarmak için ST-LINK'i kullanın.
   NOT: SPI kartı, kontrol çekirdeği olarak STM32 ile MCU ve motorlar arasında iletişim modülü görevi görür.
2. Derlenmiş robot hareket kontrol programını bir Ethernet kablosu aracılığıyla PC'den MCU'ya iletin.

6. İki ayaklı robot modülünün başlatılması

1. Robotu şekilde gösterildiği gibi başlangıç duruşuna ayarlayın (Şekil 7A).
2. MCU'daki kontrol kodundan derlenen yürütülebilir dosyayı başlatın.
3. Uzaktan kumandayı kullanarak robota stand komutunu gönderin (Şekil 7B).
   NOT: Uzaktan kumanda düğmeleri gerektiği gibi yapılandırılabilir. Hızı kontrol etmek için joystick'in kullanılması ve düğmelerin farklı durumlar arasında geçiş yapması önerilir.
4. Uzaktan kumanda ile robotun hareket modunu etkinleştirin (Şekil 7C).
5. Robotu ileri, geri manevra yapmak ve yönlendirmek için uzaktan kumandanın joystick'ini kullanın.

7. Modüler yeniden yapılandırılmış dört ayaklı robotun çalıştırılması

1. İki iki ayaklı modülün yönlendiricilerini aynı ağ segmentinde olacak şekilde yapılandırın.
2. Hafif İletişim ve Marshalling'e (LCM) dayalı dağıtılmış kontrol çerçevesini ^oluşturun21.
3. Monte edilmiş ekleme cihazı bileşenlerini iki ayaklı robotun kafasına takın.
4. İki iki ayaklı modülü belirtildiği gibi başlangıç durumuna getirin ve ekleme cihazının manyetik kuvvetini etkinleştirin.
5. İki iki ayaklı modülün yürütülebilir programlarını ayrı ayrı başlatın.
6. Ayakta durma komutunu uzaktan kumanda ile robota iletin.
7. Uzaktan kumanda ile robotun hareket modunu etkinleştirin.
8. Birleştirme robotunu ileri, geri manevra yapmak ve yönlendirmek için uzaktan kumandanın joystick'ini kullanın.

Önerilen sistemin etkinliğini doğrulamak için, birden fazla arazide açık havada yürüyüş testleri gerçekleştirdik. Başlangıçta, denek olarak tek bir iki ayaklı modül seçildi ve hem suni çim hem de sentetik bir pist üzerinde hareket testleri yapıldı. Şekil 8'de gösterildiği gibi, robot her iki arazide de dengeli hareket gösterdi. Robotun hareket sırasındaki duruşu ve eklem torku verileri Şekil 9'da gösterilmiştir. Robotun yuvarlanma ve eğim açısı dalgalanmalarının genliği 0,04 rad içinde kalır (referans 0'dır), bu da duruş kontrolündeki iyi yeteneğini gösterir. Öte yandan, eklem torku verileri, nispeten yumuşak geçişlerle keskin artışlar veya aksaklıklar göstermez ve robotun yalnızca hafif bir titreşimle kararlı çalışmasını daha da doğrular.

Yeniden yapılandırma deneyinde (Şekil 11), iki ayaklı ünite kullanarak kompozit dört ayaklı bir robot monte ettik ve dağıtılmış bir kontrol yaklaşımı yoluyla çok yönlü hareket elde etmek için kontrol ettik. İki ayaklı ve dört ayaklı konfigürasyonlar arasında dinamik geçiş, elektromanyetik cihazın yapışma kuvvetinin etkinleştirilmesi ve devre dışı bırakılmasının uzaktan kontrol edilmesiyle başarıyla sağlandı. Şekil 11B'de gösterilen kar alanında, tek bir iki ayaklı modül zaman zaman kayma ve dengesizlik yaşar. Bununla birlikte, iki modül birleştirildiğinde, genel stabilite artırılır ve karda dengeli hareket sağlanır.

Şekil 1: Bacağın yapısı. (A) Bacak bağlantılarını ve bağlantı elemanlarını monte edin. (B) Motoru bağlantıya entegre edin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 2: İki ayaklı yapının montajı. (A) Sabitleme için kullanılan karbon fiber plaka ve konektörler. (B) Birleştirilmiş iki ayaklı alt ekstremite yapısı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 3: Ekleme cihazının kurulumu. (A) Ekleme mekanizmasının bileşenleri. (B) Monte edilmiş ekleme mekanizması. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 4: Güç yönetimi modülünün montajı. (A) Güç yönetimi modülünün şematik diyagramı. (B) Modülün fiziksel görüntüsü. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 5: Kontrol kutusu iç yapı şeması. (A) İç parçalar. (B) Elektrik bağlantılarının şeması. (C) Kontrol kutusunun fiziksel entegrasyonu. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 6: Robotun eklem sıfır konumunun şeması.q_i, robotun bacaklarındaki aktif serbestlik derecelerini gösterirken, L_i, ilgili bağlantıların uzunluklarını temsil eder. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın. 

Şekil 7: Robot çalıştırma prosedürü. (A) Başlangıç duruşunda konumlandırılmış. (B) Robotu dik durması için kontrol edin. (C) Hareket modunu etkinleştirin. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 8: İki ayaklı modülün dış hareketi. (A) Suni çim üzerinde stabil bir şekilde yürüyen iki ayaklı robotun anlık görüntüleri. (B) İki ayaklı robotun sentetik bir ray üzerindeki ileri hareketinin anlık görüntüleri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 9: Açık havada yapılan iki ayaklı deneylerden elde edilen veriler. (A) Suni çim üzerindeki yürüme verileri. (B) Sentetik bir parkur üzerindeki yürüme verileri. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 10: Modüler bağlantı robotu için dağıtılmış kontrol sisteminin blok diyagramı. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Şekil 11: Konfigürasyon anahtarlamalı dış mekan hareket deneyi. (A) Dört ayaklı konfigürasyon otlak hareket deneyi. (B) Dört ayaklı konfigürasyon kar hareketi deneyi. Bu rakamın daha büyük bir sürümünü görüntülemek için lütfen buraya tıklayın.

Bu yazıda önerilen modüler bacaklı robot, birden fazla dağıtılmış bacak modülünün kombinasyonu yoluyla yeniden yapılandırma ve koordineli hareketin sağlandığı bacaklı robot tasarımına yeni bir bakış açısı sunmaktadır. Bu yazıda sunulan bu yaklaşım deneysel olarak doğrulanmıştır ve konfigürasyonun yeniden yapılandırılması ve koordineli hareket kabiliyeti teyit edilmiştir. Bu protokoldeki 1, 2, 4 ve 5 numaralı bölümler, hem robotun mekanik yapısının hem de elektrik kontrol sisteminin geliştirilmesini kapsayan bu tasarımın uygulanmasındaki kritik aşamaları temsil etmektedir.

Pratik uygulamalarda yüksek stabiliteye ve ağır yük kapasitesine sahip bacaklı robotlara yönelik artan bir talep var. Örneğin, felaket kurtarma senaryolarında, enkaz ve moloz gibi engebeli arazilerde ekipman ve malzeme taşımaları gerekir²². Bacaklı robotların çoğu entegre bir yapısal tasarım yaklaşımını benimser, ancak bu yaklaşım, birden fazla göreve zayıf uyum, yüksek arıza oranları ve düşük bakım verimliliği gibi sorunlarla karşı karşıyadır. Ayrıca, bacaklı robotların çevik hareket kabiliyeti ve yüksek yük taşıma kapasitelerinin aynı anda dengelenmesi zordur. Buna karşılık, modüler bacaklı robotlar, modüler tasarım konseptleri sayesinde esnek konfigürasyon değiştirme ve gelişmiş bakım kolaylığı gibi avantajlar sunar.

Şu anda, modüler robotlarla ilgili araştırmalar hala keşif aşamasındadır, ancak bazı ön sonuçlar elde edilmiştir. Modüler bacaklı robotlarla ilgili mevcut çalışmalar, öncelikle sınırlı hareket kabiliyetine sahip sürünme veya sürünme hareketini kullanan küçük ölçekli platformlara odaklanmaktadır. Ek olarak, çoğu modüler robot, hareket elde etmek için birden fazla modülün kombinasyonunu gerektirir ve bireysel modüllerin hareket kabiliyeti zayıftır ve otonom yeniden yapılandırma yeteneklerinden yoksundur. Bu yazıda önerilen sistem, hareket esnekliği ve yanaşma kolaylığı açısından avantajlar sunmaktadır. Daha önce²⁰ doğrulandığı gibi, bu iki ayaklı modül, yüksek hızlı çalışma gerçekleştirme yeteneğine sahiptir ve bu belgede kullanılan yerleştirme yöntemi, pimlerin, bağlantı elemanlarının veya diğer hantal işlemlerin manuel olarak takılmasını gerektirmez.

Burada, bu yazıda önerilen yöntemin birkaç tipik uygulama senaryosunu özetliyor ve tartışıyoruz. Örneğin, sanayi ve inşaat sektörlerinde, özellikle geleneksel makinelerin erişemediği dar veya tehlikeli bölgelerde, ağır malzemeleri veya ölçüm ekipmanlarını inşaat alanlarına taşımak için bacaklı robotlara ihtiyaç duyulmaktadır²³. Başka bir tipik uygulama senaryosu, bilinmeyen bir alanın hızlı bir şekilde araştırılması veya keşfedilmesidir. Burada önerilen modüler, yeniden yapılandırılabilir robot, yapıyı birden fazla iki ayaklı modüle ayırarak dağıtılmış kontrol avantajlarından yararlanabilir ve birden çok yönde ve bölgede işbirlikçi keşif yapılmasını sağlayabilir. Bu, haritalama ve keşif verimliliğini artırabilir.

Bu protokolün anahtarı, iki ayaklı modülün kararlı hareketidir. Düzgün bir şekilde başlatılamazsa, aşağıdaki hususların giderilmesi önerilir. İlk olarak, üretici tarafından sağlanan motor hata ayıklama yazılımı, her motorun normal çalışıp çalışmadığını test etmek için kullanılır. Ardından, kontrolöre, motorlara ve diğer modüllere giden giriş voltajının doğru olduğundan emin olmak için güç kartının her arayüzündeki besleme voltajını kontrol etmek için bir voltmetre kullanılır. Voltajın doğru olduğunu onayladıktan sonra, SPI kartının ve güç kartının CAN bağlantı noktalarının motor sürücü sinyallerini verip vermediğini kontrol etmek ve frekansın kararlılığını doğrulamak için bir CAN analizörü kullanın. Son olarak, robot çalıştırmadan sonra önceden ayarlanmış duruşta ( Şekil 7'de gösterildiği gibi) durmazsa, lütfen motor sıfır konumlarının doğru ayarlanıp ayarlanmadığını kontrol edin. Robotların değişen mekanik özellikleri nedeniyle, hareket kontrol parametrelerinin özel koşullara göre ayarlanması gerekir. Robot şu anda yerleştirme için manuel uzaktan kumanda yardımına ihtiyaç duyuyor. Ek olarak, robotun yerleştirme mekanizması, bazı özel durumlarda en uygun seçim olmayabilecek sert bağlantılar kullanır. Gelecekte, modüler bacaklı robotların esnekliğini daha da artırmak için aktif serbestlik derecelerine sahip mafsallı mekanizmalar için tasarımları keşfedeceğiz. Bir görüntü modülünün entegrasyonu da, görsel bilgilere dayalı otonom yerleştirmeyi mümkün kılmak amacıyla yaklaşan araştırma planlarımız arasında yer alıyor.

Yazarlar, rekabet eden herhangi bir mali çıkarları olmadığını beyan ederler.

Yazarlar, bu makalede bildirilen deneylerin gerçekleştirilmesindeki yardımları için Bay Xianwu Zeng'e şükranlarını sunarlar. Bu çalışma kısmen Çin Ulusal Doğa Bilimleri Vakfı (62373223) ve Shandong Eyaleti Doğa Bilimleri Vakfı (ZR2024ZD06) tarafından desteklenmiştir.