Інтеграція роботизованого маніпулятора з чотириногим роботом

Abstract

У роботі досліджено питання інтеграції роботизованого маніпулятора Unitree Z1 із мобільною платформою типу Unitree B2 з метою створення універсального рішення для автономної технічної інспекції у складних інженерних середовищах. Такий підхід актуальний для об’єктів, де фізична присутність людини є обмеженою або небезпечною — як, наприклад, на території CERN. У фокусі дослідження — реалізація гнучкої архітектури, що поєднує реальну роботу з маніпулятором через UDP-протокол і симуляційне моделювання у MuJoCo. У першому розділі проаналізовано актуальність використання мобільних роботизованих систем у середовищах із радіаційними, просторовими або інфраструктурними обмеженнями. Розглянуто сучасні рішення, що використовуються в CERN, включно з платформами TIM, CERNBot і новим поколінням чотириногих роботів. Виокремлено необхідність у створенні гібридної системи, яка поєднує мобільність і маніпуляційні можливості. Другий розділ присвячено технічному формулюванню задачі та визначенню структури інтегрованої системи. Об'єктом дослідження є система для автономної інспекції, що складається з чотириногого робота Unitree B2 та маніпулятора Unitree Z1. Предметом — алгоритми управління та протоколи комунікації для обробки команд у режимі реального часу. У третьому та четвертому розділах детально описано розробку низькорівневого API для двостороннього обміну даними з маніпулятором по UDP, а також реалізацію високорівневого інтерфейсу UnitreeZ1Arm, сумісного з CppRoboticsFramework. Проведено реверсування байтової структури пакетів, синхронізацію потоків читання/запису та підтримку основних функцій контролю. Окремо реалізовано два алгоритми інверсної кінематики — OptOLIK

(відкритий цикл) та OptCLIK у поєднанні з PathFollower (замкнений цикл з підтримкою null-простору). Результати демонструють перевагу OptCLIK у стабільності й точності при складних траєкторіях. П’ятий розділ містить результати симуляційного аналізу в MuJoCo: побудовано 3D-модель системи з урахуванням масово-інерційних характеристик, протестовано стійкість платформи при навантаженні до 5 кг, візуалізовано зміну центра мас, побудовано графіки зміщення та полігони опори. Визначено оптимальну позицію для монтажу маніпулятора без порушення умов стійкості. У завершальному розділі подано економічне обґрунтування: оцінено показники якості, проведено розрахунок собівартості, експлуатаційних витрат та конкурентоспроможності у порівнянні з аналогами на ринку (зокрема, Spot Arm від Boston Dynamics). Додатково, у процесі реалізації було забезпечено модульність усіх компонентів системи, що дозволяє швидко адаптувати рішення до інших типів маніпуляторів або мобільних платформ. Це досягнуто завдяки абстрагуванню комунікаційного інтерфейсу, уніфікації форматів команд та створенню єдиної структури керування, сумісної як із реальним апаратним забезпеченням, так і з симуляційним середовищем. Такий підхід значно спрощує тестування, масштабування та інтеграцію з іншими елементами роботизованої інфраструктури CERN. Результати підтверджують актуальність створення відкритої, гнучкої та масштабованої системи для автономної інспекції, з можливістю подальшого впровадження в CERN або адаптації для промисловості, енергетики й аварійного реагування.MuJoCo, інверсна кінематика, CRF, UDP, автономна інспекція, OptOLIK, OptCLIK.

2This work explores the integration of the Unitree Z1 robotic manipulator with the Unitree B2 quadruped platform, aiming to develop a universal solution for autonomous technical inspection in complex engineering environments. This approach is particularly relevant for areas where human presence is limited or hazardous, such as the CERN infrastructure. The focus of the study is the implementation of a flexible architecture combining real-time operation of the manipulator via a UDP-based protocol with simulation modeling in MuJoCo. The first chapter analyzes the relevance of mobile robotic systems in environments with radiation hazards, spatial constraints, or infrastructure limitations. Existing solutions at CERN—such as the TIM rail system, the CERNBot wheeled platform, and the new generation of quadruped robots—are reviewed. The need for a hybrid system combining mobility and manipulation capabilities is highlighted. The second chapter addresses the technical formulation of the problem and defines the structure of the integrated system. The object of study is an autonomous inspection system composed of the Unitree B2 quadruped robot and the Unitree Z1 manipulator. The subject of research includes control algorithms and communication protocols for real-time command processing. Chapters three and four provide a detailed description of the development of a low-level API for bidirectional communication with the manipulator over UDP, as well as the implementation of a high-level UnitreeZ1Arm interface compatible with the CppRoboticsFramework (CRF). The reverse engineering of byte-level packet structures, synchronization of reading/writing threads, and implementation of key control functions are covered. Two inverse kinematics algorithms are implemented: OptOLIK (open-loop) and OptCLIK combined with PathFollower (closed-loop with nullspace optimization). The results demonstrate the superiority of the OptCLIK approach in terms of stability and precision in complex trajectories. The fifth chapter presents the results of simulation analysis in MuJoCo: a 3D model of the system is constructed with accurate mass-inertial characteristics, 4

platform stability is tested under payloads of up to 5 kg, center-of-mass shifts are visualized, and support polygons are analyzed. The optimal mounting position of the manipulator is determined to preserve platform stability. The final chapter provides an economic analysis: quality indicators are evaluated, the cost and operational expenses are calculated, and the competitiveness of the proposed solution is compared to existing market alternatives (in particular, the Spot Arm by Boston Dynamics). The results confirm the relevance of developing an open, flexible, and scalable system for autonomous inspection, with potential for implementation at CERN and adaptation for use in industry, energy infrastructure, and emergency response.