文 | 远山竹叶

编辑 | 远山竹叶

前言

近年来，科技发展的很快，人们对有腿机器人的兴趣也不断增加。

因此，在有腿机器人这一方面，取得了令人瞩目的成果，它侧重于对生物体的身体和腿部的控制。

类似于昆虫，它们能够在任何一条腿的能力发生变化后适应新情况。

虽然 有腿运动 比轮子的能源效率低，但具有在非结构化环境中必不可少的灵活性和多功能性。

攀爬能力 使得有腿机器人可以在风力发电机、大型建筑物、飞机机身、核电站、隧道和冷却塔等设施中执行检查任务。

机器人生物的腿部说明

机器人有机体本身没有预定义的结构，我们目前用来验证有机体概念和控制策略的身体由 两块铝板 组成，两块铝板都是定制的，可以容纳四个模块，一个矩形的每个角各一个，角度为 45。

基于机器人的特殊性，我们提出了一个 7DOF 机器人模块，让它作为整个有机体行走和攀爬的工具。

为了实现这个目的，所以降低了机器的复杂性、模块化和从 CC 释放工作量的想法。

在这些设想中，拥有超过 6 个自由度允许模块显得最为合适，选择最合适和更安全的配置，优化出现在关键关节处的扭矩。

该模块由七个伺服电机组成，其中第一个被视为状态变量，用于促进平面的变化。

而且电机分为三个集群：肩部、肘部和腕部。

最后三个关节的轴是并发排列的，最后两个轴是差动配置的。

因此，与大多数工业机器人中发生的情况类似，最后三个轴相交于同一点，这个点就是所谓的手腕点。

所以，每当抓取系统连接到表面时，手腕点是保持不变静止的，与球形接头相反的是，手腕静止的同时接近允许模块在行走模式的摆动阶段将其吸盘聚焦在接触表面上。

也就是说，这种配置允许定位平面和旋转吸盘以将其放置在最佳位置抓地力条件。

在站立阶段，手腕电机关闭，以允许吸盘自由定位，使手腕表现为球形关节。

由于手腕的形态，最后两个电机的运动并不直接对应于关节的运动。

而第五关节的正向运动是通过马达5和6沿相反方向的协调运动实现的，马达5正向旋转。

相反的是，第六关节的正向运动是通过协调运动实现的，并且两个电机的方向相同，都在负方向上旋转。

它的每个模块都有自己的电池，电池位于第四个链接，伺服电机的控制由微控制器ESP32 执行，该微控制器位于第三个链接的电子板上。

该板从伺服电机发送和接收信息，其中伺服电机具有内置微控制器，可以控制位置和速度。

而舵机伺服电机通过半双工 UART进行通信。

在这个方案中，每个电机都有一个唯一的 ID，允许通过同一个共享通道发送和接收一对一的命令。

这极大地简化了布线和控制，而且该板的 MCU 还能够控制末端执行器工具，即带有允许产生真空的涡轮的吸盘。

该工具有一个压力和温度传感器以及三个激光距离传感器，用于帮助吸盘与表面对齐。

通过压力传感器的反馈，可以立即确定吸盘实现的夹持力，吸盘的设计、效率和性能。

在这当中，每个模块都能够通过多种方式进行通信，无线和有线具有相同的协议。

为了方便，目前模块和CC之间的通信是使用用户数据报协议的，消息通过 WiFi 完成的。通过BT通信用于配置参数或获取运行日志。

表格1 设备之间的主要消息。

简单来说，MCU 需要发送模块的状态，而CC需要发送要执行的命令。

这些模块的编程方式是，当连接到主设备CC时，它们会以30 Hz的速率发送有关其状态的信息。

只要连接了主控，它就会向生物体的所有模块发出周期性的信号，这种类型的消息被称为心跳。

为了减少机器的损害，所以需要用到数字孪生，来*拟机模**器来减少机器人的伤害。

数字孪生

基本上只要想做机器人或是想要维护机器人，都要学到数字孪生这个技术，数字孪生是指任何物理实体的虚拟模型，两者相互连接并实时交换数据。

因此，人们对数字孪生很感兴趣。

由于社会的发展，对机器人中的各种器件的精细复杂化，所以开发可靠的模拟系统至关重要。

机器人平台由于其材料、传感器和执行器的原因成本很高，所以需要在仿真环境测试算法，以避免系统损坏，减少维护和测试时间、材料浪费和成本。

此外，还可以改变环境条件以在不同情况下执行测试。

通常情况下，在处理大型项目时需要可靠的系统虚拟模型。

由于复杂系统的模拟，测试时间大大减少，通过数字孪生的使用，我们可以向两者发送相同的命令并且检测到真实机器人行为不同时的故障。

它还可用于检查执行器是否具有足够的扭矩能力来完成任务。

在这项工作中，我们使用 Gazebo 模拟器以两种方式创建 ROMERIN 有机体的数字双胞胎：一个是作为用于测试算法的模拟和可变有机体，另一个是物理机器人有机体的数字镜像来检查故障。

这两种模式具有相同的结构，可以改变他们与 CC 沟通的方式，这样就知道它们运行不同的结果，并对此改正。

首先，设计模块组件的 3D 模型，为每组组件创建一个模型，这些组件通过关节连接到另一组组件。

也就是说，对于铰接链，每个模型在物理上代表每个链接。

后来，这些 3D 模型在一个名为模块模型的描述性文件中连接起来，可以根据需要放置多次，并附带一个指定模块行为的插件，也被称为模块插件。

每个模块模型都有一个单一模块的运动学和动力学的内在定义和插件，该插件定义了类似于真实模块的行为。

它会定期发送有关电机、吸盘和模拟信息的消息，同理接收电机和吸盘指令在模拟环境中执行动作。

同样的是，身体组件的 3D 模型被封装在身体模型中，其身体插件定义其行为，即指定电池、IMU、相机和云台的性能。

对于机器人的另一经常故障的方面，就不得不提到它的架构问题。

架构中，最特别的是MoCLORA架构，它对于机器人的构建，具有深刻的影响。

MoCLORA架构

我们可以找到有关腿式机器人控制架构的一些信息。

例如，Free Gait旨在控制四足动物的全身运动，并应用于 ANYmal 和 StarlETH 机器人。

另一个有趣的例子是 OSCAR，这是一种能够处理六足机器人 OSCAR 的自组织、自重构和自修复的控制方案。

特别值得一提的是 Lauron 的架构，这是一种基于行为的控制系统。

在所有这些情况下，其组件的数量和排列都是预先定义的，并且不能更改，从而限制了应用程序和目标环境的范围。

而模块化的爬腿机器人有机体结构源于对先前详述的有机体的身体位置和速度控制的必要性。

MoCLORA 使用 C++ 实现，使用 ROS2 通信工具在架构组件和设备之间共享信息。

它是为由腿形机器人组成的通用机器人有机体而设计的。

架构更专注于身体位置和速度控制，以模仿动物世界，个人关心身体运动，而不考虑单腿控制。

所以提出的体系结构作为控制具有任何形态的 L&C 机器人的基础，并且可以将更多组件包含在一般提出的框架中以提高生物体的性能。

在这个架构中，圆角矩形代表硬件设备、虚线矩形代表架构级别、深灰色框表示 C++ 对象、平行四边形是配置文件、蓝色容器是使用对象执行例程的 ROS2 节点、灰色线表示设备间通信，蓝色线表示用于消息交换的 ROS2 主题、虚线表示资源的使用。

Module Plugin是物理模块固件的虚拟实现。

也就是说，它实现了与物理模块相同的接口，因此对模拟或虚拟模块的控制是完全一样的。

由此可知，CC是控制架构的核心，分为三层：HAL、Executive Level、Scheduler ，其中HAL最为重要。

HAL指的是 硬件抽象层 ，它将模块与模块的控制器隔离开来。

也就是说，抽象层提供了一种工具，可以在系统中变得难以有效，使用时还会隐藏复杂性。

模块控制器向相应的系统发送消息并从中接收相关信息，这样控制器就不知道它移动的是真实模块还是虚拟模块。

总之，HAL 级别以这样一种方式产生结果，即更高级别不需要考虑消息是发送到机器人有机体的模块还是数字双胞胎的模块。

结语

生物体是个很复杂的东西， 这个会爬且有腿的机器是一个以控制由腿部构成的攀爬生物的身体位置和速度为中心的框架。

每条腿或模块都是一个独立的单元，可用于构建更复杂的结构，模块的处置可以根据要执行的任务而变化。

如果模块用于检查冷却塔，则建议的主体和支腿配置将适用，而如果任务是承载更高尺寸的负载，则需要更大更宽的主体。

而且每个模块都有自己的电池，因此机器人尺寸，即模块数量的扩展性将不是问题。

模块增加的主要优点是可以根据支腿的数量来承载可变负载，从而使有效载荷尽可能均匀地分布在支腿上。

从控制的角度来看，模块数量的可扩展性增加了计算成本。

每个模块的控制回路在生物体 CC 中以 800 Hz 的频率进行四足布置，而每个模块的内部控制回路为 30 Hz。

也就是说，生物体内的模块越多，控制率就越差。

当控制回路速率为 60 Hz时就要设置限制，但即使建议CC完全控制机器人，但该值也与实际情况相去甚远。

所以需要加以控制，需要改进或更改它们的通信协议、设备和结构，以及模块之间的粘附组件，即主体。

到目前为止，我们已经将 MoCLORA 用于物理有机体及其数字的孪生体，以及呈现各种配置的其他有机体。

我们已经实现了一个由模块化组件组成的工具，包括硬件和软件，并通过添加或删除模块到指定它们的位置来实现对有机体的快速微调。

这些事实导致所提出的系统被用于广泛的应用程序和大量环境中。

MoCLORA 用作控制具有任何形态的 L&C 机器人 的基础架构，通过这种方式可以包含更多组件以提高生物体的能力，从而实现更复杂的控制。

例如，需要一个基于异常的代理来为机器人提供行走和攀爬能力，以及其他安全程序、鲁棒性和容错技术。

作为仿生学的一个例子，在模仿昆虫行为的调度程序层中包含一个运动代理是至关重要的。

所以在更大的架构中也需要优化生物安全并减少消耗的路径规划。