Compliant actuators that mimic biological muscle performance with applications in a highly biomimetic robotic arm

This paper endeavours to bridge the existing gap in muscular actuator design for ligament-skeletal-inspired robots, thereby fostering the evolution of these robotic systems. We introduce two novel compliant actuators, namely the Internal Torsion Spring Compliant Actuator (ICA) and the External Spring Compliant Actuator (ECA), and present a comparative analysis against the previously conceived Magnet Integrated Soft Actuator (MISA) through computational and experimental results. These actuators, employing a motor-tendon system, emulate biological muscle-like forms, enhancing artificial muscle technology. A robotic arm application inspired by the skeletal ligament system is presented. Experiments demonstrate satisfactory power in tasks like lifting dumbbells (peak power: 36W), playing table tennis (end-effector speed: 3.2 m/s), and door opening, without compromising biomimetic aesthetics. Compared to other linear stiffness serial elastic actuators (SEAs), ECA and ICA exhibit high power-to-volume (361 x 10^3 W/m) and power-to-mass (111.6 W/kg) ratios respectively, endorsing the biomimetic design's promise in robotic development

A Stability-Estimator to Unify Humanoid Locomotion: Walking, Stair-Climbing and Ladder-Climbing

The field of Humanoid robotics research has often struggled to find a unique niche that is not better served by other forms of robot. Unlike more traditional industrials robots with a specific purpose, a humanoid robot is not necessarily optimized for any particular task, due to the complexity and balance issues of being bipedal. However, the versatility of a humanoid robot may be ideal for applications such as search and rescue. Disaster sites with chemical, biological, or radiation contamination mean that human rescue workers may face untenable risk. Using a humanoid robot in these dangerous circumstances could make emergency response faster and save human lives. Despite the many successes of existing mobile robots in search and rescue, stair and ladder climbing remains a challenging task due to their form. To execute ladder climbing motions effectively, a humanoid robot requires a reliable estimate of stability. Traditional methods such as Zero Moment Point are not applicable to vertical climbing, and do not account for force limits imposed on end-effectors. This dissertation implements a simple contact wrench space method using a linear combination of contact wrenches. Experiments in simulation showed ZMP equivalence on flat ground. Furthermore, the estimator was able to predict stability with four point contact on a vertical ladder. Finally, an extension of the presented method is proposed based on these findings to address the limitations of the linear combination.Ph.D., Mechanical Engineering and Mechanics -- Drexel University, 201

A Foot Placement Strategy for Robust Bipedal Gait Control

This thesis introduces a new measure of balance for bipedal robotics called the foot placement estimator (FPE). To develop this measure, stability first is defined for a simple biped. A proof of the stability of a simple biped in a controls sense is shown to exist using classical methods for nonlinear systems. With the addition of a contact model, an analytical solution is provided to define the bounds of the region of stability. This provides the basis for the FPE which estimates where the biped must step in order to be stable. By using the FPE in combination with a state machine, complete gait cycles are created without any precalculated trajectories. This includes gait initiation and termination. The bipedal model is then advanced to include more realistic mechanical and environmental models and the FPE approach is verified in a dynamic simulation. From these results, a 5-link, point-foot robot is designed and constructed to provide the final validation that the FPE can be used to provide closed-loop gait control. In addition, this approach is shown to demonstrate significant robustness to external disturbances. Finally, the FPE is shown in experimental results to be an unprecedented estimate of where humans place their feet for walking and jumping, and for stepping in response to an external disturbance

Human inspired humanoid robots control architecture

This PhD Thesis tries to present a different point of view when talking about the development of control architectures for humanoid robots. Specifically, this Thesis is focused on studying the human postural control system as well as on the use of this knowledge to develop a novel architecture for postural control in humanoid robots. The research carried on in this thesis shows that there are two types of components for postural control: a reactive one, and other predictive or anticipatory. This work has focused on the development of the second component through the implementation of a predictive system complementing the reactive one. The anticipative control system has been analysed in the human case and it has been extrapolated to the architecture for controlling the humanoid robot TEO. In this way, its different components have been developed based on how humans work without forgetting the tasks it has been designed for. This control system is based on the composition of sensorial perceptions, the evaluation of stimulus through the use of the psychophysics theory of the surprise, and the creation of events that can be used for activating some reaction strategies (synergies) The control system developed in this Thesis, as well as the human being does, processes information coming from different sensorial sources. It also composes the named perceptions, which depend on the type of task the postural control acts over. The value of those perceptions is obtained using bio-inspired evaluation techniques of sensorial inference. Once the sensorial input has been obtained, it is necessary to process it in order to foresee possible disturbances that may provoke an incorrect performance of a task. The system developed in this Thesis evaluates the sensorial information, previously transformed into perceptions, through the use of the “Surprise Theory”, and it generates some events called “surprises” used for predicting the evolution of a task. Finally, the anticipative system for postural control can compose, if necessary, the proper reactions through the use of predefined movement patterns called synergies. Those reactions can complement or substitute completely the normal performance of a task. The performance of the anticipative system for postural control as well as the performance of each one of its components have been tested through simulations and the application of the results in the humanoid robot TEO from the RoboticsLab research group in the Systems Engineering and Automation Department from the Carlos III University of Madrid. ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------Esta Tesis Doctoral pretende aportar un punto de vista diferente en el desarrollo de arquitecturas de control para robots humanoides. En concreto, esta Tesis se centra en el estudio del sistema de control postural humano y en la aplicación de este conocimiento en el desarrollo de una nueva arquitectura de control postural para robots humanoides. El estudio realizado en esta Tesis pone de manifiesto la existencia de una componente de control postural reactiva y otra predictiva o anticipativa. Este trabajo se ha centrado en el desarrollo de la segunda componente mediante la implementación de un sistema predictivo que complemente al sistema reactivo. El sistema de control anticipativo ha sido estudiado en el caso humano y extrapolado para la arquitectura de control del robot humanoide TEO. De este modo, sus diferentes componentes han sido desarrollados inspirándose en el funcionamiento humano y considerando las tareas para las que dicho robot ha sido concebido. Dicho sistema está basado en la composición de percepciones sensoriales, la evaluación de los estímulos mediante el uso de la teoría psicofísica de la sorpresa y la generación de eventos que sirvan para activar estrategias de reacción (sinergias). El sistema de control desarrollado en esta Tesis, al igual que el ser humano, procesa información de múltiples fuentes sensoriales y compone las denominadas percepciones, que dependen del tipo de tarea sobre la que actúa el control postural. El valor de estas percepciones es obtenido utilizando técnicas de evaluación bioinspiradas de inferencia sensorial. Una vez la entrada sensorial ha sido obtenida, es necesario procesarla para prever posibles perturbaciones que puedan ocasionar una incorrecta realización de una tarea. El sistema desarrollado en esta Tesis evalúa la información sensorial, previamente transformada en percepciones, mediante la ‘Teoría de la Sorpresa’ y genera eventos llamados ‘sorpresas’ que sirven para predecir la evolución de una tarea. Por último, el sistema anticipativo de control postural puede componer, si fuese necesario, las reacciones adecuadas mediante el uso de patrones de movimientos predefinidos llamados sinergias. Dichas reacciones pueden complementar o sustituir por completo la ejecución normal de una tarea. El funcionamiento del sistema anticipativo de control postural y de cada uno de sus componentes ha sido probado tanto por medio de simulaciones como por su aplicación en el robot humanoide TEO del grupo de investigación RoboticsLab en el Departamento de Ingeniería de Sistemas y Automática de la Universidad Carlos III de Madrid

Integración de sensores a bordo del robot mini-humanoide Bioloid

En este proyecto se ha desarrollado el pie robótico ROBfoot para ser integrado en plataformas robóticas mini-humanoides. El proyecto nace en la línea de investigación de robótica mini-humanoide de la Asociación de Robótica de la Universidad Carlos III de Madrid persiguiendo aumentar las capacidades de las plataformas robóticas mini-humanoides que disponen. El pie robótico tiene la capacidad reconocer el entorno, procesar información y establecer comunicación con el controlador principal de la plataforma robótica mini-humanoide. Para ello se incorpora un completo sistema de sensorización y se integra un microcontrolador que desempeña la función de controlador del pie robótico, analizando la información de los sensores y comunicandose con el controlador de la plataforma mini-humanoide. El robot mini-humanoide con el pie robótico instalado aumenta su versatilidad al ser posible la programación de nuevas habilidades antes impracticables. Se persigue dotar de la habilidad de ascender y descender por una escalera de manera autónoma y el pie robótico debe tener la capacidad detectar y posicionar los escalones de dicha escalera. Se persigue no obstante el diseño de un pie robótico completo y funcional que sea apto para desempeñar otras funciones y de servir en investigaciones de robótica humanoide. El pie robótico desarrollado ha sido empleado en el concurso nacional de robots mini-humanoides CEABOT donde su funcionamiento ha sido verificado y su utilidad confirmada.ROBfoot, the robotic foot designed for mini-humanoid robots has been developed in this project The project arises inside the mini-humanoids investigation group of Carlos III University of Madrid Robotics Association in order to increase the mini-humanoid robots’ capabilities they posses. The robotic foot recognises the enviroment, processes the information and stablishes communication with the mini-humanoid robot’s main controller. To accomplish this, a complete sensor system is embodied and a microcontroller which acts as the robotic foot’s controller, analyzing information and communicating with the mini-humanoid’s main controller, is integrated. The mini-humanoid robot increases its versatility with the robotic foot installed as new habilities, which their establishment where impossible before, can be programmed. It is pursued to grant the hability to automously climb a stair, so the robotic foot must have the capability to detect the steps of a stair. However, it is intended to design a complete and functional robotic foot able to perform other functions and be useful in humanoid robotics investigations. The robotic foot was used in the national mini-humanoid robotics championship CEABOT where its functioning was verified and its serviceability confirmed.Ingeniería Electrónica Industrial y Automátic

Hierarchical robust real time optimization with zone control

El problema de control de sistemas de gran escala y en red se resuelve normalmente dividiendo el problema y aplicando técnicas locales de modelamiento y control a subsistemas más pequeños y más manejables . Dado que una partición no es natural, los subsistemas no necesariamente intercambian la información apropiada y los controladores no se comportan como deberían. La falta de cooperación hace que los controladores interactuen de manera inesperada lo cual no fue considerado en la fase de diseño. Como resultado de ello, el sistema completo puede ser muy fragil e incluso ser inestable en presencia de perturbaciones no modeladas. Actualmente, es bien sabido que con el fin de obtener un funcionamiento óptimo global de un sistema, es necesario medir, estimar y actuar en base a la información global. Hacer estas tareas es difícil e implica un serio compromiso entre la complejidad y fiabilidad, este compromiso debe ser negociado con el fin de obtener resultados reales y aplicables. En los problemas de control de sistemas de gran escala, la eficiencia, la tratabilidad del control y el modelo son puntos claves: es necesario calcular una buena acción de control y simular el sistema de una manera precisa, teniendo en cuenta que todos los subsistemas no necesariamente tienen el mismo comportamiento dinámico, y la simulación de todo el sistema puede tener una alta carga computacional. Una partición jerárquica basada en la dinamica temporal puede ser propuesta con el fin de reducir el tamaño y la carga computacional del problema. En ese sentido y con el fin de hacer frente a estos problemas, el uso de control distribuido en el que el sistema se subdivide en varias subregiones es necesario. También habrá una distribución temporal de los controladores, lo que resulta en una estructura jerárquica en la que los controladores de nivel inferior se ocupan de la dinámica rápida en una región pequeña y en el que los controladores de nivel más alto cuidan de las dinámicas más lentas y hacen la coordinación sobre una región más grande. Así que en la configuración anterior, los sistemas de mayor funcionalidad residen en niveles más altos, mientras que en los niveles inferiores de las unidades individuales, deben garantizar funciones especificas. Además del seguimiento de referencias y objetivos económicos que se consideren explícitamente. En esta tesis se presenta un enfoque de control jerárquico aplicado a sistemas de gran escala mediante el control predictivo basado en modelo por zonas. Este método utiliza una integración de la optimización dinámica en tiempo real (DRTO) y el control predictivo basado en modelo por zonas. En general, el control de las diferentes variables se establece en una referencia definida, pero en ocasiones, esto puede afectar la viabilidad de la solución es especial cuando el sistema está altamente interconectado. En general en los sistemas de gran escala las variables no necesariamente deben estar en una referencia específica, allí es cuando se utiliza el control por zonas, donde las variables de salida se mantienen en una zona determinada. Control por zonas es un enfoque que ayuda a encontrar una solución factible, ya que libera las variables para estar en una zona especifica y no en una referencia fija. En el enfoque de control jerárquico propuesto, en la capa superior se solucionan dos problemas: una optimización dinámica en tiempo real (DRTO) y una optimización dinámica en tiempo real robusta (RDRTO), por medio de estos problemas de optimización es posible encontrar los limites (desde el punto de vista económico) y trayectorias de referencia optimas para el coordinador (capa intermedia). El coordinador calcula las variables de entrada jerárquicas y referencias de salida que estan siempre en la zona especificada, esta información es tomada por los controladores de los subsistemas (capa inferior) para generar las variables de entrada que se van a aplicarDoctorad