Method Article
Hier stellen wir ein Protokoll vor, das es Anfängern ermöglicht, ein hochdynamisches zweibeiniges Robotersystem und einen modularen vierbeinigen Roboter, bestehend aus Zweibeinern als kleinste Einheiten, nachzubilden.
Roboter mit Beinen verfügen über eine außergewöhnliche Anpassungsfähigkeit an das Gelände, was sie zu einer idealen Plattform für die Erkundung im Freien und den Transport von Fracht über komplexes Gelände macht. Die Anzahl und Konfiguration der Beine spielen eine entscheidende Rolle für ihre Leistung. Die meisten aktuellen Designs sind jedoch monolithisch und bieten nicht die Flexibilität für eine Neukonfiguration. Das in diesem Artikel vorgestellte Protokoll beschreibt das Design und die Herstellung eines modularen Beinrobotersystems mit robusten Gehfähigkeiten und flexibler Rekonfiguration zwischen zweibeinigen und vierbeinigen Konfigurationen. Zunächst werden verschiedene Funktionsmodule mechanisch zusammengefügt, um den Aufbau der zweibeinigen Plattform und die Montage der modularen Verbindungsvorrichtung zu vervollständigen. Anschließend konfigurierten wir mit Hilfe von Debugging-Software die Trägheitsmesseinheit und die Motoren, einschließlich der festgelegten CAN-Identität (ID), der Baudrate und anderer Arbeitsparameter, um sicherzustellen, dass sie sich im korrekten Betriebszustand befinden. Dann entwarfen wir eine Ganzkörpersteuerungsstrategie und ein verteiltes Steuerungsframework, um ein stabiles Gehen der zweibeinigen Einheit bzw. eine koordinierte Bewegung der montierten Struktur zu gewährleisten. Schließlich haben wir die Wirksamkeit des Systems sowohl bei zweibeinigen als auch bei vierbeinigen Konfigurationen validiert, sodass der Roboter stabil im Freien gehen kann.
Roboter mit Beinen, die einen diskreten Unterstützungsmechanismus verwenden, weisen eine überlegene Anpassungsfähigkeit und Agilität des Geländes auf 1,2. In den letzten Jahren wurden Roboter mit Beinen in Szenarien wie Rettungs- und Suchaktionen eingesetzt, wobei positive Ergebnisse erzieltwurden 3,4,5. Beinroboter in verschiedenen Konfigurationen bieten deutliche Vorteile für unterschiedliche Aufgaben. Zweibeinige Roboter können mit ihrem einfachen Design durch enge Räume navigieren, haben aber eine begrenzte Tragfähigkeit. Vierbeinige Roboter sind komplexer, können aber schwerere Lasten tragen und sich schneller bewegen. Roboter mit sechs oder mehr Beinen bieten eine höhere Stabilität, sind aber schwieriger zu warten. Bestehende Roboter mit Beinen verwenden jedoch in der Regel ein integriertes Design, das durch eine singuläre Konfiguration gekennzeichnet ist, der die Flexibilität fehlt, sich anzupassen oder zwischen verschiedenen Konfigurationen zu wechseln 6,7,8. Dieser Designansatz führt zu einer hohen Fehlerhäufigkeit und stellt eine erhebliche Herausforderung für die Wartung dar, da Single Points of Failure zum Systemzusammenbruch führen können. Im Gegensatz dazu können Roboter, die mit dem modularen Montagekonzept konstruiert wurden, leicht umkonfiguriert werden, um unterschiedlichen Aufgabenanforderungen gerecht zu werden 9,10. In unwegsamem Gelände können sie ihre Durchfahrbarkeit verbessern, indem sie die Anzahl der Beine oder Moduleum 11 erhöhen.
Derzeit befindet sich die Forschung an modularen Beinrobotern noch in der Sondierungsphase und konzentriert sich hauptsächlich auf kleine oder miniaturbeinige Plattformen, die sich hauptsächlich kriechend oder gleitend bewegen 11,12,13,14,15. Einigen Baugruppen-Submodulen fehlen sogar unabhängige Bewegungsfähigkeiten und sie können nur in Kombination Mobilität erreichen16,17. Dies macht es schwierig, sie in praktischen Szenarien für Aufgaben wie Transport und Aufklärung einzusetzen. Um diesen Herausforderungen zu begegnen, wird in diesem Beitrag ein modulares Robotersystem mit flexiblen Mobilitätsmöglichkeiten vorgeschlagen. Im Gegensatz zu früheren Methoden sind die Beine der Baugruppen-Submodule in diesem Artikel von der Beinkonfiguration von Säugetieren inspiriert und bieten schnelle Lauffähigkeiten. Wir wählen den zweibeinigen Roboter aufgrund seiner einfachen Struktur, seiner stabilen Gehfähigkeit und seines menschenähnlicheren Gehstils als kleinstes Spleißmodulaus 18,19.
Darüber hinaus verwenden einige der oben erwähnten modularen Roboter mit Beinen Riegel oder Befestigungselemente, um die Module12 zu verbinden, wodurch ihre schnellen Verbindungs- und Trennfähigkeiten geschwächt werden. Um den Verbindungsprozess zu vereinfachen und den Einsatz von Clips und Befestigungselementen zu vermeiden, verwenden wir einen elektromagnetischen Befestigungsmechanismus zwischen den Modulen mit steuerbarer und flexibler Aktivierung/Deaktivierung der Magnetkraft. Um die Vorteile des modularen Beinroboters voll auszuschöpfen, verwenden wir einen verteilten Steuerungsansatz, um die Fortbewegung des Roboters zu steuern, der in diesem Artikel diskutiert wird. Die Wirksamkeit des konstruierten Systems und der Regelungsmethode wurde durch prototypische Versuche validiert. Das vorgeschlagene System kann dazu beitragen, den Anforderungen des großflächigen Materialtransports in unstrukturiertem Gelände oder der schnellen Aufklärung in unbekannten Umgebungen gerecht zu werden.
Das Ziel dieses Protokolls ist es, den Entwurfs- und Herstellungsprozess des in diesem Artikel beschriebenen Systems gründlich darzustellen und es interessierten Parteien zu ermöglichen, Roboter mit ähnlicher Funktionalität zu replizieren oder zu erstellen, um ihren Anforderungen gerecht zu werden. Das zweibeinige Modul in dieser Arbeit basiert auf unseren früheren Arbeiten. Wir haben einen Docking-Mechanismus darauf installiert und eine Parameterfeinabstimmung20 durchgeführt.
1. Aufbau der Maschine
2. Bau der Steuerbox
3. Debuggen der Motoren
4. Regelung
5. Schreiben Sie das Programm
6. Starten des zweibeinigen Robotermoduls
7. Starten des modular umgebauten Vierbeinroboters
Um die Wirksamkeit des vorgeschlagenen Systems zu validieren, führten wir Outdoor-Gehtests auf mehreren Terrains durch. Zunächst wurde ein einzelnes zweibeiniges Modul als Testobjekt ausgewählt, und es wurden Bewegungstests sowohl auf Kunstrasen als auch auf einer Kunststoffbahn durchgeführt. Wie in Abbildung 8 gezeigt, zeigte der Roboter auf beiden Geländen eine stabile Fortbewegung. Die Haltungs- und Gelenkdrehmomentdaten des Roboters während der Fortbewegung sind in Abbildung 9 dargestellt. Die Amplitude der Roll- und Nickwinkelschwankungen des Roboters bleibt innerhalb von 0,04 rad (die Referenz ist 0), was auf seine anständige Fähigkeit zur Haltungskontrolle hinweist. Auf der anderen Seite zeigen die Gelenkdrehmomentdaten keine scharfen Spitzen oder Störungen mit relativ glatten Übergängen, was den stabilen Betrieb des Roboters mit nur leichten Vibrationen weiter bestätigt.
Im Rekonfigurationsexperiment (Abbildung 11) haben wir einen vierbeinigen Roboter aus Verbundwerkstoffen aus zwei zweibeinigen Einheiten zusammengebaut und ihn so gesteuert, dass er durch einen verteilten Steuerungsansatz eine omnidirektionale Bewegung erreicht. Das dynamische Umschalten zwischen der zweibeinigen und der vierbeinigen Konfiguration wurde erfolgreich erreicht, indem die Aktivierung und Deaktivierung der Adhäsionskraft des elektromagnetischen Geräts aus der Ferne gesteuert wurde. In dem in Abbildung 11B gezeigten Schneefeld kommt es bei einem einzelnen zweibeinigen Modul gelegentlich zu Rutschen und Instabilität. Wenn die beiden Module jedoch kombiniert werden, wird die Gesamtstabilität erhöht, was eine stabile Fortbewegung im Schnee ermöglicht.
Abbildung 1: Der Aufbau des Beins. (A) Montieren Sie die Beinglieder und Befestigungselemente. (B) Integrieren Sie den Motor in das Gestänge. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 2: Die Installation der zweibeinigen Struktur. (A) Die Kohlefaserplatte und die Verbinder, die zur Befestigung verwendet werden. (B) Die zusammengebaute zweibeinige Struktur der unteren Gliedmaßen. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 3: Die Installation der Spleißvorrichtung. (A) Die Komponenten des Spleißmechanismus. (B) Der zusammengebaute Spleißmechanismus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 4: Montage des Energieverwaltungsmoduls. (A) Schematische Darstellung des Energieverwaltungsmoduls. (B) Das physische Abbild des Moduls. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 5: Internes Strukturdiagramm des Schaltkastens. (A) Die internen Teile. (B) Das Schema seiner elektrischen Verbindungen. (C) Die physische Integration des Schaltkastens. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 6: Schematische Darstellung der gemeinsamen Nullstellung des Roboters. qi bezeichnet die aktiven Freiheitsgrade in den Beinen des Roboters, während Li die Längen der jeweiligen Gestänge darstellt. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 7: Startvorgang des Roboters. (A) Positioniert in der Ausgangshaltung. (B) Steuern Sie den Roboter so, dass er aufrecht steht. (C) Aktivieren Sie den Fortbewegungsmodus. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 8: Fortbewegung des zweibeinigen Moduls im Freien. (A) Schnappschüsse des zweibeinigen Roboters, der stabil auf Kunstrasen läuft. (B) Schnappschüsse der Vorwärtsbewegung des zweibeinigen Roboters auf einer synthetischen Spur. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 9: Daten aus zweibeinigen Experimenten im Freien. (A) Die Gehdaten auf Kunstrasen. (B) Die Gehdaten auf einer synthetischen Strecke. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 10: Blockschaltbild des Prozessleitsystems für den modularen Kupplungsroboter. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Abbildung 11: Experiment zur Konfigurationsumschaltung der Fortbewegung im Freien. (A) Experiment zur Fortbewegung von Grünland mit vierbeiniger Konfiguration. (B) Experiment zur Fortbewegung des Schnees mit vierbeiniger Konfiguration. Bitte klicken Sie hier, um eine größere Version dieser Abbildung anzuzeigen.
Der in diesem Beitrag vorgeschlagene modulare Beinroboter bietet eine neue Perspektive auf das Design von Beinrobotern, bei denen eine Neukonfiguration und koordinierte Bewegung durch die Kombination mehrerer verteilter Beinmodule erreicht wird. Dieser Ansatz, der in diesem Artikel vorgestellt wird, wurde experimentell validiert und bestätigt seine Fähigkeit zur Konfigurationsrekonfiguration und koordinierten Bewegung. Die Abschnitte 1, 2, 4 und 5 dieses Protokolls stellen die kritischen Phasen bei der Implementierung dieses Designs dar und decken sowohl die Entwicklung der mechanischen Struktur als auch des elektrischen Steuerungssystems des Roboters ab.
In der Praxis besteht eine steigende Nachfrage nach Beinrobotern mit hoher Stabilität und hoher Tragfähigkeit. In Katastrophenrettungsszenarien müssen sie beispielsweise Ausrüstung und Vorräte über unwegsames Gelände wie Schutt und Schutt transportieren22. Die meisten Roboter mit Beinen verfolgen einen integrierten strukturellen Designansatz, aber dieser Ansatz ist mit Problemen wie schlechter Anpassungsfähigkeit an mehrere Aufgaben, hohen Ausfallraten und geringer Wartungseffizienz konfrontiert. Darüber hinaus sind die agile Beweglichkeit von Beinrobotern und ihre hohe Tragfähigkeit gleichzeitig schwer unter einen Hut zu bringen. Im Gegensatz dazu bieten die modularen Beinroboter durch ihr modulares Aufbaukonzept Vorteile wie flexible Konfigurationswechsel und erhöhten Wartungskomfort.
Gegenwärtig befindet sich die Forschung an modularen Robotern noch in der Sondierungsphase, obwohl einige vorläufige Ergebnisse erzielt wurden. Bestehende Studien zu modularen Beinrobotern konzentrieren sich auf kleine Plattformen, die hauptsächlich kriechende oder kriechende Fortbewegung mit eingeschränkter Mobilität nutzen. Darüber hinaus erfordern die meisten modularen Roboter die Kombination mehrerer Module, um eine Bewegung zu erreichen, und einzelne Module weisen eine schlechte Mobilität auf und es fehlen autonome Rekonfigurationsmöglichkeiten. Das in diesem Beitrag vorgeschlagene System bietet Vorteile in Bezug auf die Bewegungsflexibilität und die Leichtigkeit des Andockens. Wie zuvor20 validiert, ist dieses zweibeinige Modul in der Lage, Hochgeschwindigkeitsläufe auszuführen, und seine in diesem Dokument verwendete Andockmethode erfordert nicht die manuelle Installation von Stiften, Befestigungselementen oder anderen umständlichen Vorgängen.
In diesem Artikel skizzieren und diskutieren wir einige typische Anwendungsszenarien der in diesem Artikel vorgeschlagenen Methode. In der Industrie und im Baugewerbe sind beispielsweise Roboter mit Beinen erforderlich, um schwere Materialien oder Messgeräte in Baubereiche zu transportieren, insbesondere in engen oder gefährlichen Bereichen, zu denen herkömmliche Maschinen keinen Zugang haben23. Ein weiteres typisches Anwendungsszenario ist die schnelle Erkundung oder Erkundung eines unbekannten Gebiets. Der hier vorgeschlagene modulare, rekonfigurierbare Roboter kann seine Vorteile der verteilten Steuerung nutzen, indem er die Struktur in mehrere zweibeinige Module zerlegt, was eine gemeinsame Erkundung in mehrere Richtungen und Regionen ermöglicht. Dies kann die Effizienz der Kartierung und Aufklärung verbessern.
Der Schlüssel zu diesem Protokoll ist die stabile Fortbewegung des biped-Moduls. Wenn es nicht ordnungsgemäß gestartet werden kann, wird empfohlen, die folgenden Aspekte zu beheben. Zunächst wird mit der vom Hersteller bereitgestellten Motor-Debugging-Software getestet, ob jeder Motor normal funktioniert. Dann wird ein Voltmeter verwendet, um die Versorgungsspannung an jeder Schnittstelle der Leistungsplatine zu überprüfen, um sicherzustellen, dass die Eingangsspannung für die Steuerung, die Motoren und andere Module korrekt ist. Nachdem Sie sich vergewissert haben, dass die Spannung korrekt ist, überprüfen Sie mit einem CAN-Analysator, ob die CAN-Ports der SPI-Platine und der Leistungsplatine die Motorantriebssignale ausgeben, und überprüfen Sie die Stabilität der Frequenz. Wenn der Roboter nach dem Start nicht in der voreingestellten Haltung (wie in Abbildung 7 gezeigt) steht, überprüfen Sie bitte, ob die Nullpositionen des Motors korrekt eingestellt sind. Aufgrund der unterschiedlichen mechanischen Eigenschaften der Roboter müssen die Parameter der Fortbewegungssteuerung an die spezifischen Gegebenheiten angepasst werden. Der Roboter benötigt derzeit eine manuelle Fernsteuerungsunterstützung für das Andocken. Darüber hinaus verwendet der Andockmechanismus des Roboters starre Verbindungen, was in bestimmten Spezialfällen möglicherweise nicht die optimale Wahl ist. In Zukunft werden wir Designs für Knickmechanismen mit aktiven Freiheitsgraden erforschen, um die Flexibilität von modularen Robotern weiter zu erhöhen. Auch die Integration eines Vision-Moduls gehört zu unseren anstehenden Forschungsplänen, mit dem Ziel, ein autonomes Andocken auf Basis visueller Informationen zu ermöglichen.
Die Autoren erklären, dass sie keine konkurrierenden finanziellen Interessen haben.
Die Autoren danken Herrn Xianwu Zeng für seine Unterstützung bei der Durchführung der Experimente, über die in diesem Artikel berichtet wird. Diese Arbeit wurde teilweise von der National Natural Science Foundation of China (62373223) und der Natural Science Foundation of Shandong Province (ZR2024ZD06) unterstützt.
Name | Company | Catalog Number | Comments |
Battery | YOBOTICS | https://yobotics.cn/ | |
Electromagnet | Kaka Electric | H25 | |
Electronic component | JLC | https://yobotics.cn/ | Including commonly used components such as resistors, capacitors, inductors, etc |
IMU | LORD | 3DM-GX5-45 | |
Motor | YOBOTICS | https://yobotics.cn/ | |
Power Management Module | JLC | P1 | |
Remote control | Ledi | https://yobotics.cn/ | |
Router | linwlan | GX30 | |
SPI | YOBOTICS | https://yobotics.cn/ | |
Structural parts | 3D printing service | N/A | M1-1, M1-2, M1-3, M1-4, M1-5, M1-6, U1, U2, LX1, LX2,LX3, LX4 |
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