高ダイナミック・モジュール型リコンフィギャラブル・レッグド・ロボット・システムの設計と制御

要約

ここでは、初心者が高度にダイナミックな二足歩行ロボットシステムと、二足歩行を最小単位として構成されたモジュール式四足歩行ロボットを再現できるようにするためのプロトコルを紹介します。

要約

脚付きロボットは、優れた地形適応性を備えているため、複雑な地形での屋外探索や貨物輸送に理想的なプラットフォームとなっています。脚の数と構成は、脚のパフォーマンスに重要な役割を果たします。ただし、現在のほとんどの設計はモノリシックであり、再構成の柔軟性に欠けています。この論文で紹介するプロトコルでは、堅牢な歩行機能と二足歩行と四足歩行の構成間の柔軟な再構成を備えたモジュール式脚付きロボットシステムの設計と製造について詳しく説明しています。まず、さまざまな機能モジュールが機械的に組み立てられ、二足歩行プラットフォームの構築とモジュラー接続デバイスの組み立てが完了します。その後、デバッグソフトウェアを使用して、慣性測定ユニットとモーターを構成し、コントローラーエリアネットワーク(CAN)のID(ID)、ボーレート、およびその他の動作パラメータを設定して、正しい動作状態にあることを確認しました。次に、二足歩行ユニットの安定歩行と組み立てられた構造物の協調運動をそれぞれ確保するための全身制御戦略と分散制御フレームワークを設計しました。最後に、二足歩行と四足歩行の両方でシステムの有効性を検証し、ロボットが安定した屋外歩行を実現できるようにしました。

概要

離散的なサポートメカニズムを利用するレッグロボットは、優れた地形適応性と敏捷性を示します^1,2。近年、レッグロボットは救助や捜索活動などのシナリオに配備され、良好な結果が得られています^3,4,5。さまざまな構成の脚付きロボットは、さまざまなタスクに対して明確な利点を提供します。二足歩行ロボットは、シンプルなデザインで狭いスペースをナビゲートできますが、積載量は限られています。四足歩行ロボットはより複雑ですが、より重い荷物を運び、より速く移動できます。6本以上の脚を持つロボットは、安定性は高くなりますが、メンテナンスが難しくなります。しかし、既存の脚付きロボットは、一般に、異なる構成^6,7,8を適応または切り替える柔軟性を欠く単一の構成を特徴とする統合設計を採用している。この設計アプローチでは、障害の発生率が高くなり、単一障害点がシステムの崩壊につながる可能性があるため、メンテナンスに大きな課題が生じます。対照的に、モジュラーアセンブリのコンセプトで設計されたロボットは、さまざまなタスク要件を満たすように簡単に再構成できます^9,10。起伏の多い地形に直面したときは、脚やモジュールの数を増やすことで移動性を高めることができます¹¹。

現在、モジュール式脚ロボットの研究はまだ探索段階にあり、主に小型またはミニチュア脚のプラットフォームに焦点を当てており、主に這ったり滑ったりして移動する11,12,13,14,15。一部のアセンブリサブモジュールは、独立した移動機能さえ持たず、^{組み合わせた16,17}でのみ機動性を達成できます。そのため、輸送や偵察などのタスクの実際のシナリオで展開するのが難しくなっています。これらの課題に対処するために、このホワイトペーパーでは、柔軟な移動機能を備えたモジュール式レッグロボットシステムを提案します。以前の方法とは異なり、このホワイトペーパーのアセンブリサブモジュールの脚は、哺乳類の脚の構成に触発されており、高速走行機能を提供します。二足歩行ロボットは、そのシンプルな構造、安定した歩行能力、およびより人間のような歩行スタイルにより、最小のスプライシングモジュールとして選択されています^18,19。

さらに、上記のモジュラーレッグロボットの一部は、モジュール¹²を接続するためにラッチまたはファスナーを使用し、それらの迅速な接続および切断機能を弱めます。接続プロセスを簡素化し、クリップや留め具の使用を避けるために、モジュール間に電磁取り付け機構を採用し、磁力の制御可能で柔軟なアクティブ化/非アクティブ化を備えています。モジュール式レッグロボットの利点を十分に活用するために、この論文で説明したロボットの移動を制御するための分散制御アプローチを採用しています。構築したシステムや制御方法の有効性は、試作実験を通じて検証されています。提案されたシステムは、非構造化地形での大規模な材料輸送や未知の環境での迅速な偵察のニーズに対処するのに役立つ可能性があります。

このプロトコルの目的は、このホワイトペーパーで説明されているシステムの設計と製造プロセスを徹底的に提示し、利害関係者がニーズに合わせて同様の機能を持つロボットを複製または作成できるようにすることです。このホワイトペーパーの二足歩行モジュールは、以前の作業に基づいています。その上にドッキング機構を取り付け、パラメータの微調整²⁰を行った。

プロトコル

1.機械の構造

1. リンケージ、ハウジング、カーフをネジと留め具で組み立ててから、組み立てたリンケージをモーター出力軸のキーピンに留め具で接続します(図1)。
   注:リンケージ、モーター、ベアリングなどで構成される脚は、その動きを担当するロボットの主要なコンポーネントです。
2. モーターメーカーが提供するソフトウェアを使用してモーターを初期化します。これには、ホールセンサーとエンコーダーの校正が含まれます。
3. 図に示すように、組み立てた2つの脚をカーボンファイバープレートと適切なコネクタで固定して、二足歩行構造を作成します(図2)。
4. カーボンファイバーチューブをドッキングデバイスの両側にネジで固定し、電磁石を中央の溝に固定します( 図3を参照)。

2.コントロールボックスの構築

1. 図4に示す回路図と物理図に基づいて電源ボードを組み立てます。
2. 図に示すように、電源管理モジュール、慣性測定ユニット(IMU)、マイクロコントローラユニット(MCU)、およびその他のコンポーネントを指定された場所に配置して固定します(図5)。
3. JT30-USBコネクタを使用して、MCUのユニバーサルシリアルバス(USB)ポートをIMUに接続します。
4. MCUのイーサネットポートをイーサネットケーブルを使用してルーターにリンクします。
5. 配線を使用して、モータースイッチ、MCUスイッチ、およびメインスイッチを電源管理モジュールの対応するインターフェースに接続します。
6. シリアル・ペリフェラル・インターフェース(SPI)ボードのCAN1およびCAN2インターフェースを、それぞれパワー・マネージメント・モジュールのCAN1およびCAN2インターフェースに接続します。
7. すべてのモーターを、対応するインターフェースを介して電源管理モジュールの電源およびCANインターフェースにリンクします。
   注意: 左脚のモーターは、コントロールボックスの左側コネクタを介して、電源管理モジュールの左側電源およびCANインターフェースにリンクされています。右側も同様に接続されています。

3. モーターのデバッグ

1. モーターデバッグソフトウェアを開きます。USB-CANモジュールを使用して、コンピューターをデバッグモーターに接続します。
2. モーターの CAN ID を割り当て、ab/ad の値を 1 に、hip を 2 に、knee を 3 に設定します。
3. ジョイントのゼロ位置と正の方向を順番に設定します( 図6を参照)。

4. 制御方式

1. 次のように、ロボットのリンク間の運動学的伝達関係を確立します。
   
   注:z軸はジョイント軸iに整列し、軸はジョイント軸iとi + 1の間の共通の垂直に沿って整列し、ジョイントiからi + 1に向けられます。軸が交差する場合、x_i は交差平面に対して垂直です。a_i-1は、z_i-1からz_iまでのx_i-1の周りの回転角です。_{a i-1} は、z_i-1 から z i までの x_i-1 に沿った距離です。θ_i は、x_i-1 から x_i までの z_i の周りの回転角です。di は、x_i-1 から x_i までの zi に沿った距離です。
2. 次式で与えられる全身の動的方程式を確立する
   
   注: J_c と f_c は、それぞれ足の力を関節空間にマッピングするヤコビ行列と足の接触力を示します。 M(q) は慣性行列、 は遠心力とコリオリ項、 g(q) はロボットの重力です。
3. 全身のバランス制御方程式を確立する。
   注:二足歩行モジュールの制御則は、仮想モデル制御(VMC)と全身制御(WBC)を統合しています。詳細な制御方程式については、以前の研究²⁰を参照してください。

5.プログラムを書く

1. ST-LINKを使用して、MCUとモーター間の通信プログラムのバイナリ(BIN)ファイルをSPIボードにインポートします。
   注:SPIボードは、STM32を制御コアとして、MCUとモーター間の通信モジュールとして機能します。
2. コンパイルしたロボットの移動制御プログラムをPCからマイコンにイーサネットケーブルで伝送します。

6.二足歩行ロボットモジュールの起動

1. 図に示すように、ロボットを初期姿勢に設定します(図7A)。
2. 制御コードからコンパイルした実行ファイルをマイコン上で起動します。
3. リモコンを使用して、スタンドコマンドをロボットに送信します(図7B)。
   注意: リモコンボタンは、必要に応じて構成できます。ジョイスティックを使用して速度を制御し、ボタンが異なる状態を切り替えることをお勧めします。
4. リモコンでロボットの移動モードをアクティブにします(図7C)。
5. リモコンのジョイスティックを使用して、ロボットを前進、後退、および操縦します。

7. モジュール式に再構成された四足歩行ロボットの起動

1. 2 つの二足歩行モジュールのルーターを同じネットワーク セグメント上に配置するように構成します。
2. Lightweight Communications and Marshalling(LCM)²¹に基づく分散制御フレームワークを確立する。
3. 組み立てたスプライシングデバイスのコンポーネントを二足歩行ロボットのヘッドに取り付けます。
4. 2つの二足歩行モジュールを指定どおりに初期状態に配置し、スプライシングデバイスの磁力をアクティブにします。
5. 2つの二足歩行モジュールの実行可能プログラムを別々に起動します。
6. 立っているコマンドをリモコンでロボットに送信します。
7. リモコンでロボットの移動モードをアクティブにします。
8. リモコンのジョイスティックを使用して、スプライシングロボットを前進、後退、および操縦します。

結果

提案したシステムの有効性を検証するために、複数の地形で屋外歩行試験を実施しました。当初は二足歩行モジュール1台を被験者として選定し、人工芝と人工トラックの両方で運動試験を行いました。 図8に示すように、ロボットは両方の地形で安定した移動を示しました。移動中のロボットの姿勢と関節トルクのデータを 図9に示します。ロボットのロールとピッチ角の変動の振幅は0.04rad(基準値は0)以内にとどまっており、姿勢制御の能力が十分であることを示しています。一方、関節トルクのデータでは、急激なスパイクやグリッチはなく、比較的スムーズな遷移が見られ、わずかな振動でロボットが安定して動作していることがさらに確認されています。

再構成実験(図11)では、二足歩行ユニット2台を用いて複合四足歩行ロボットを組み立て、分散制御アプローチにより全方向移動を実現するように制御しました。二足歩行と四足歩行の構成間の動的な切り替えは、電磁デバイスの接着力の活性化と非アクティブ化を遠隔制御することで成功裏に達成されました。 図11Bに示す雪原では、1つの二足歩行モジュールが時折滑りや不安定さを経験します。しかし、2つのモジュールを組み合わせると、全体的な安定性が向上し、雪上での安定した移動が可能になります。

図1:脚の構造。 (A)レッグリンケージと留め具を組み立てます。(B)モーターをリンケージに統合します。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図2:二足歩行構造物の設置。 (A)固定に使用されるカーボンファイバープレートとコネクタ。(B)組み立てられた二足歩行の下肢構造。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図3:スプライシングデバイスの取り付け(A)スプライシングメカニズムのコンポーネント。(B)組み立てられたスプライシング機構。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図4:電源管理モジュールのアセンブリ(A)電源管理モジュールの概略図。(B)モジュールの物理イメージ。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図5:コントロールボックスの内部構造図(A)内部部品。(B)その電気接続の概略図。(C)コントロールボックスの物理的統合。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図6:ロボットの関節ゼロ位置の概略図。q_iはロボットの脚のアクティブな自由度を示し、L_iはそれぞれのリンケージの長さを表します。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。 

図7:ロボットの起動手順(A)初期姿勢で配置。(B)ロボットを直立するように制御します。(C)ロコモーションモードをアクティブにします。この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図8:二足歩行モジュールの屋外移動 (A)人工芝の上を安定して歩く二足歩行ロボットのスナップショット。(B)合成トラック上の二足歩行ロボットの前方移動のスナップショット。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図9:屋外の二足歩行実験から記録されたデータ。 (A)人工芝の歩行データ。(B)合成トラック上の歩行データ。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図10:モジュラーカップリングロボットの分散制御システムのブロック図。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

図11:構成切り替え屋外移動実験。 (A)四足歩行構成の草原移動実験。(B)四足歩行構成の雪上移動実験。 この図の拡大版を表示するには、ここをクリックしてください。

ディスカッション

この論文で提案されているモジュール式レッグロボットは、複数の分散レッグモジュールの組み合わせによって再構成と協調的な動きが達成されるレッグロボットの設計に新たな視点を提供します。このホワイトペーパーで紹介したこのアプローチは実験的に検証されており、構成の再構成と協調的な移動の能力が確認されています。このプロトコルのセクション 1、2、4、および 5 は、この設計の実装における重要な段階を表しており、ロボットの機械構造と電気制御システムの両方の開発をカバーしています。

実用化では、高い安定性と高負荷容量を備えた脚付きロボットの需要が高まっています。たとえば、災害救助シナリオでは、瓦礫や瓦礫²²のような起伏の多い地形で機器や物資を運ぶ必要があります。ほとんどの脚付きロボットは統合構造設計アプローチを採用していますが、このアプローチでは、複数のタスクへの適応性が低い、故障率が高い、メンテナンス効率が低いなどの問題に直面しています。さらに、脚付きロボットの機敏な移動性と高い耐荷重能力を同時に両立させることは困難です。対照的に、モジュール式の脚付きロボットは、モジュール化された設計コンセプトにより、柔軟な構成切り替えやメンテナンスの利便性の向上などの利点を提供します。

現在、モジュラーロボットの研究はまだ探索段階にありますが、いくつかの予備的な結果が得られています。モジュール式脚付きロボットに関する既存の研究は、主に移動が制限された這う動きや忍び寄る移動運動を利用する小規模なプラットフォームに焦点を当てています。さらに、ほとんどのモジュール式ロボットは、移動を実現するために複数のモジュールを組み合わせる必要があり、個々のモジュールは機動性が低く、自律的な再構成機能がありません。このホワイトペーパーで提案されているシステムは、移動の柔軟性とドッキングの容易さの点で利点があります。以前に検証^された20のように、この二足歩行モジュールは高速走行を実行でき、このホワイトペーパーで使用されているドッキング方法は、ピン、留め具、またはその他の面倒な操作を手動で取り付ける必要はありません。

ここでは、このホワイトペーパーで提案されている方法のいくつかの典型的なアプリケーションシナリオの概要と説明を行います。例えば、産業および建設部門では、特に従来の機械がアクセスできない狭いゾーンや危険なゾーンで、重い材料や測定機器を建設エリアに輸送するために、脚付きロボットが必要です²³。別の典型的なアプリケーションシナリオは、未知の領域の迅速な探索または偵察です。ここで提案されているモジュール式のリコンフィギャラブルロボットは、構造を複数の二足歩行モジュールに分解することで分散制御の利点を活用でき、複数の方向や領域での協調的な探索が可能になります。これにより、マッピングと偵察の効率を向上させることができます。

このプロトコルの鍵は、二足歩行モジュールの安定した移動です。正常に起動しない場合は、次の側面のトラブルシューティングをお勧めします。まず、メーカーが提供するモーターデバッグソフトウェアを使用して、各モーターが正常に動作するかどうかをテストします。次に、電圧計を使用して電源ボードの各インターフェースの供給電圧をチェックし、コントローラー、モーター、およびその他のモジュールへの入力電圧が正しいことを確認します。電圧が正しいことを確認した後、CANアナライザーを使用して、SPIボードと電源ボードのCANポートがモーター駆動信号を出力しているかどうかを確認し、周波数の安定性を確認します。最後に、起動後にロボットがプリセットされた姿勢( 図7を参照)で立たない場合は、モーターのゼロ位置が正しく設定されているかどうかを確認してください。ロボットの機械的特性が異なるため、移動制御パラメータは特定の状況に応じて調整する必要があります。現在、ロボットはドッキングのために手動のリモートコントロール支援を必要としています。さらに、ロボットのドッキング機構は剛体接続を利用しているため、特定の特殊なケースでは最適な選択ではない場合があります。今後は、モジュールレッグロボットの柔軟性をさらに高めるために、能動的自由度を持つ多関節機構の設計を検討していきます。ビジョンモジュールの統合も今後の研究計画の一つで、視覚情報に基づく自律ドッキングを可能にすることを目指しています。

資料

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