10.20868/UPM.thesis.65587

Cable-driven Parallel Robot to Simulate the Underwater Environment in Humanoids

Abstract

El diseño y control de los robots submarinos tiene que afrontar condiciones submarinas muy distintas a las que se encuentran en tierra. La metodología común para sus pruebas comienza con simulaciones computacionales antes de la inmersión en piscinas reales donde sus algoritmos de control se pueden desarrollar y actualizar con experimentos en el medio acuático. Sin embargo, el salto entre esos dos escenarios de prueba podría ser demasiado amplio para cubrir todos los requisitos del robot que se necesitan en el emplazamiento. Por este motivo, se propone un simulador submarino en tierra basado en tecnología accionada por cable. Este simulador podría crear un escenario donde el robot pueda probar sus algoritmos en un entorno controlado, seguro y personalizable para garantizar la viabilidad de su rendimiento antes de una inmersión real en una piscina. El trabajo propuesto se centra en incrementar la calidad de la simulación submarina en robots con patas o que puedan tener contacto con el entorno imponiendo al robot las fuerzas de reacción que sentirá sobre el fondo marino real. Además, debido a la configuración multicuerpo que suelen tener esos robots, el robot accionado por cable propuesto pretende manejar esta condición ejerciendo las llaves externas requeridas en más de un cuerpo proporcionando una simulación con mayor calidad al distribuir las fuerzas en diferentes puntos del cuerpo, centrándose en la estructura humanoide. Esta distribución de tensión se puede realizar aprovechando la estructura de restricción redundante del robot accionado por cable atendiendo a las configuraciones de tensión factibles. Esas tensiones podrían proporcionar una amplia gama de energía potencial en los elementos elásticos del efector final donde está conectado el robot submarino. Gestionando esta energía potencial con los actuadores redundantes podría ser posible ejercer las llaves o movimientos deseados en los diferentes cuerpos de un efector final pasivo reconfigurable. El uso de cables en lugar de eslabones rígidos, así como el esfuerzo de las llaves mediante el uso de mecanismos elásticos y flexibles, permiten la simulación de las condiciones submarinas en sujetos humanos. Esos experimentos específicos, realizados en el RoAR Lab de la Universidad de Columbia, permiten conocer el comportamiento humano en este entorno simulado para ayudar en el desarrollo de algoritmos para robots. Esta nueva aplicación para robots accionados por cable requiere una síntesis, diseño y construcción de un prototipo real capaz de cumplir con los requisitos necesarios. De modo que, se seleccionan diferentes índices de rendimiento y parámetros para definir la forma del robot, así como una selección específica de los componentes. Finalmente, se realizan varios experimentos para validar la simulación submarina atendiendo a la acción de la fuerza de flotabilidad y las fuerzas de reacción deseadas con el suelo. ----------ABSTRACT---------- The design and control of underwater robots have to handle with underwater conditions very different from those found on ground. The common methodology for their testing begins with computational simulations before the immersion in real pools where their control algorithms can be developed and upgraded with experiments in the aquatic environment. However, the leap between those two testing scenarios could be too wide to cover all the robot’s requirement that are needed in the emplacement. For this reason, an on-ground underwater simulator based on cable-driven technology is proposed. This simulator could create a scenario where the robot can test its algorithms in a controlled, secure and customizable environment to guarantee the feasibility of its performance before a real immersion in a swimming pool. The proposed work focuses on increase the quality of the underwater simulation on legged robots or those that can have contacts with the surroundings by imposing to the robot the reaction forces that will feel on the real seabed. In addition, due to the multibody configuration that those robots use to have, the proposed cabledriven robot aims to handle with this condition by exerting the required external wrenches in more than one body providing a simulation with higher quality by distributing the forces into different points of the body, focusing on the humanoid structure. This tension distribution can be performed by taking advantage of the redundantly constraint structure of the cable-driven robot attending to the feasible tension configurations. Those tensions could provide a wide range of potential energy on the elastic elements of the end-effector where the underwater robot is attached. Managing this potential energy with the redundant actuators it could be possible to exert desired wrenches or movements in the different bodies of a passive reconfigurable end-effector. The use of cables instead of rigid links as well as the exertion of the wrenches by using elastic and compliant mechanisms allow the simulation of the underwater conditions into human subjects. Those specific experiments, performed in the RoAR Lab of Columbia University, allow to know about the human behavior in this simulated environment to help in the algorithm development for robots. This novel application for cable-driven robots requires a synthesis, design and building of a real prototype able to fulfil the requirements needed. So that, different performance indices and parameters are selected to define the shape of the robot as well as a specific selection of the components. Finally, several experiments are performed to validate the underwater simulation attending to the buoyancy force action and the desired reaction forces with the ground, showing that the mechanisms and algorithms implemented to perform a simulation in a articulated underwater robot are suitable for the application

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This paper was published in Archivo Digital UPM.

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