Παραμετρική ανάλυση και συστηματικός σχεδιασμός ρομπότ με πόδια

Abstract

This thesis sets the basis for a systematic approach in designing quadruped robots employing a dynamically stable quadruped running straight-ahead on level ground with a bounding gait. The outcome of the proposed methodology is the optimal shape of the quadruped robot, i.e., the relation between its physical parameters, and the optimal size of the bounding quadruped robot, i.e., the physical magnitude of it, according to desired performance criteria. The performance criterion used to size the robot is on the actuator effort to sustain an active gait, very close to a passive one, and the maximum payload capability of the robot given a target overall mass. The parametric study examines the behavior of the performance criterion over a range of non-dimensional variables connected to robot physical parameters and gait characteristics. The study takes into consideration data from experimental biology and ground surface properties, while it is subject to the existing technological limitations and economic restraints, i.e., the fact that there is a limited number of motor/gearbox combinations available from a practical point of view. By analyzing local stability, design guidelines that would reduce steady- state roll (on the frontal plane) and self-stabilize the motion of the robot passively, thus making the control of the robot more straightforward are also formulated. We show that a quadruped robot could be able to perform self-stable running behavior in significantly broader ranges of forward speed and pitch rate with suitable mechanical design. The results presented here might explain the success of simple, open loop running controllers on existing experimental robots and can be further used in developing control methodologies for legged robots that take advantage of the mechanical system. The findings from simulation results indicate that the proposed methodology can assist in the design of new, and modifications of existing quadruped robots. Finally, two legged robots, with one and four legs, are implemented based on the proposed methodology. These can be used to experimentally validate control and design approaches in legged robots at the Control Systems Lab.

Αντικείμενο της διατριβής είναι η μελέτη και ο συστηματικός σχεδιασμός αυτόνομων ρομπότ διάσχισης ανωμάλου εδάφους. Η έρευνα εστίασε στα ρομπότ με πόδια, τα οποία παρουσιάζουν αυξημένες δυνατότητες διάσχισης δύσβατων εδαφών σε σχέση με τα συμβατικά οχήματα με τροχούς. Στόχος της εργασίας ήταν η ανάπτυξη μιας μεθοδολογίας καθορισμού των φυσικών παραμέτρων του συστήματος για τη συστηματική κατασκευή ρομπότ με βελτιωμένα χαρακτηριστικά, όπως μικρότερη κατανάλωση, διευρυμένη ευστάθεια και αυξημένο ωφέλιμο φορτίο, πριν την εφαρμογή οποιουδήποτε αλγορίθμου ελέγχου. Τα τελευταία χρόνια πραγματοποιείται σημαντική έρευνα σε συστήματα με πόδια, με σκοπό τη χρήση τους σε εφαρμογές που απαιτείται διάβαση ανώμαλου εδάφους. Εκεί, η συμβατική λύση μετακίνησης με τροχούς αποτυγχάνει. Τα πόδια παρουσιάζουν θεμελιώδη πλεονεκτήματα έναντι των τροχών κατά την κίνηση σε ανώμαλο έδαφος, καθιστώντας το πεδίο πιθανών εφαρμογών τους ευρύ. Εξίσου ενδιαφέρουσα είναι η προοπτική αξιοποίησης των ρομπότ με πόδια στη μελέτη της κίνησης των ζώων. Τα περισσότερα ζώα κινούνται με τον πλέον ενεργειακά βέλτιστο τρόπο ανεξάρτητα του τύπου εδάφους που διασχίζουν και παρουσιάζουν εντυπωσιακή ικανότητα δυναμικής ισορροπίας, τα οποία οφείλονται στα ενδογενή τους χαρακτηριστικά. Τα περισσότερα ρομπότ με πόδια που έχουν υλοποιηθεί μέχρι σήμερα κατασκευάζονται έπειτα από εμπειρικό προσδιορισμό των παραμέτρων, χωρίς συστηματική μελέτη. Συνήθως αντιγράφεται το μοντέλο ενός ζώου, αντίστοιχου μεγέθους, από τη φύση. Ωστόσο η φύση δεν χρησιμοποιεί την ίδια τεχνολογία με τις μηχανές, αλλά ούτε ικανοποιεί τις ίδιες ανάγκες. Προκύπτει, επομένως, η ανάγκη να αναπτυχθεί ένας συστηματικός τρόπος προσδιορισμού των τιμών των παραμέτρων του ρομπότ ώστε η τελική κατασκευή να έχει το κατάλληλο μέγεθος και τις βέλτιστες αναλογίες με βάση τις ανάγκες μιας συγκεκριμένης εφαρμογής. Η εργασία ξεκινά με την εισαγωγή της έννοιας της διαστατικής ανάλυσης και την εφαρμογή της στο μοντέλο ενός ρομπότ με τέσσερα πόδια που συλλαμβάνει τα βασικά χαρακτηριστικά της πρόσω κίνησης, κατά μήκος του διαμήκους άξονα του σώματος του ρομπότ, και της περιστροφικής κίνησης, γύρω από το διαμήκη άξονα του σώματος του ρομπότ. Η εφαρμογή της διαστατικής ανάλυσης καθιστά την περιγραφή του δυναμικού μοντέλου του φυσικού συστήματος αδιάστατη. Επίσης, μειώνει τον αριθμό των ελεύθερων παραμέτρων που περιγράφουν το σύστημα στον ελάχιστο δυνατό ομαδοποιώντας τις σε αδιάστατους συνδυασμούς με φυσική σημασία. Έτσι, η επικείμενη ανάλυση καθίσταται απλούστερη και πιο γενική, ενώ αποκαλύπτεται η επίδραση της κλίμακας του μεγέθους στην απόδοσή του φυσικού συστήματος. Η προσέγγιση αυτή, διακρίνει την παρούσα εργασία από τις υπόλοιπες στην βιβλιογραφία. Στη συνέχεια, εισάγεται η έννοια της παθητικής κίνησης και της παθητικής δυναμικής ενός ρομπότ με τέσσερα πόδια. Η παθητική δυναμική αντιστοιχεί στη δυναμική του ρομπότ που οφείλεται μόνο στην κατασκευή του, χωρίς καμία επιπρόσθετη επενέργηση. Η παθητική κίνηση, αντίστοιχα, είναι η κίνηση που εκτελεί ένα ρομπότ χάρη στην παθητική του δυναμική. Οι έννοιες αυτές είναι ιδιαίτερα σημαντικές καθώς εκφράζουν την ενδογενή τάση του ρομπότ να προτιμά κάποια συγκεκριμένη μορφή κίνησης. Ένα σύστημα που δεν εναντιώνεται σε αυτήν την (ενδογενή) παθητική δυναμική χαρακτηρίζεται από μειωμένη προσπάθεια των επενεργητών και λιγότερη κατανάλωση ενέργειας για τη διατήρηση της επιθυμητής κίνησης. Ακολουθεί η ανάπτυξη αλγορίθμου για το συστηματικό προσδιορισμό αρχικών συνθηκών που οδηγούν σε τέτοιες κινήσεις για όλο το δυνατό εύρος των μεταβλητών της κίνησης, των παραμέτρων του ρομπότ και των χαρακτηριστικών του εδάφους. Αφού προσδιοριστούν οι αρχικές συνθήκες, η κίνηση του ρομπότ προσομοιώνεται στα δύο επίπεδα της κίνησης. Τα αποτελέσματα αναλύονται με βάση δύο κριτήρια. Το πρώτο είναι ενεργειακό και λαμβάνει υπόψη την κατανάλωση, την πρόσθια ταχύτητα και το μέγεθος του ρομπότ. Το δεύτερο αφορά στην ευστάθεια της κίνησης και στα δύο της επίπεδα. Από την ανάλυση προκύπτει πλήθος συμπερασμάτων, τα οποία μπορούν μετουσιώνονται σε κατευθύνσεις για την σχεδίαση καινούργιων ή/και τη βελτίωση υφιστάμενων ρομπότ με πόδια. Τα παραπάνω αφορούν στις αναλογίες που πρέπει να πληρούν οι κατασκευαστικές παράμετροι ενός τετράποδου ρομπότ. Το κατάλληλο μέγεθος που πρέπει να έχει ένα ρομπότ για μια δεδομένη εφαρμογή προκύπτει από τη μελέτη της επίδρασης των επενεργητών του ρομπότ, η οποία και ολοκληρώνει τη μεθοδολογία συστηματικού σχεδιασμού που προτείνεται. Η μελέτη ξεκινά με τη κατασκευή, για πρώτη φορά διεθνώς, σχέσεων κλίμακας για το ρομπότ και τους επενεργητές του, οι οποίες πιστοποιούνται με δεδομένα από πραγματικά συστήματα. Οι συγκεκριμένες σχέσεις μπορούν να χρησιμοποιηθούν εύκολα και σε πλήθος άλλων δυναμικών συστημάτων που κινούνται με τέτοιους επενεργητές. Στη συνέχεια, εισάγεται ένα κριτήριο που λαμβάνει υπόψη το μέγιστο ωφέλιμο φορτίο του ρομπότ και αναπτύσσεται ένας αλγόριθμος υπολογισμού των βέλτιστων διαστάσεων του ρομπότ με βάση το κριτήριο αυτό και τις σχέσεις κλίμακας και μόνη είσοδο την επιθυμητή μάζα του. Τα αποτελέσματα που προκύπτουν χρησιμοποιούνται για να κατασκευαστεί ένα πειραματικό ρομπότ με τέσσερα πόδια. Λόγω του βέλτιστου σχεδιασμού, το τετράποδο ρομπότ που υλοποιήθηκε δεν είναι απλά στο ίδιο επίπεδο με αντίστοιχα του εξωτερικού, αλλά ένα βήμα μπροστά. Ταυτόχρονα, προστέθηκε στο εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου ένα ρομπότ που μπορεί να αποτελέσει βάση δοκιμών για περαιτέρω έρευνα στην περιοχή των ρομπότ με πόδια.