Climbing and Walking Robots

Nowadays robotics is one of the most dynamic fields of scientific researches. The shift of robotics researches from manufacturing to services applications is clear. During the last decades interest in studying climbing and walking robots has been increased. This increasing interest has been in many areas that most important ones of them are: mechanics, electronics, medical engineering, cybernetics, controls, and computers. Today’s climbing and walking robots are a combination of manipulative, perceptive, communicative, and cognitive abilities and they are capable of performing many tasks in industrial and non- industrial environments. Surveillance, planetary exploration, emergence rescue operations, reconnaissance, petrochemical applications, construction, entertainment, personal services, intervention in severe environments, transportation, medical and etc are some applications from a very diverse application fields of climbing and walking robots. By great progress in this area of robotics it is anticipated that next generation climbing and walking robots will enhance lives and will change the way the human works, thinks and makes decisions. This book presents the state of the art achievments, recent developments, applications and future challenges of climbing and walking robots. These are presented in 24 chapters by authors throughtot the world The book serves as a reference especially for the researchers who are interested in mobile robots. It also is useful for industrial engineers and graduate students in advanced study

A Bio-inspired architecture for adaptive quadruped locomotion over irregular terrain

Tese de doutoramento Programa Doutoral em Engenharia Electrónica e de ComputadoresThis thesis presents a tentative advancement on walking control of small quadruped and humanoid position controlled robots, addressing the problem of walk generation by combining dynamical systems approach to motor control, insights from neuroethology research on vertebrate motor control and computational neuroscience. Legged locomotion is a complex dynamical process, despite the seemingly easy and natural behavior of the constantly present proficiency of legged animals. Research on locomotion and motor control in vertebrate animals from the last decades has brought to the attention of roboticists, the potential of the nature’s solutions to robot applications. Recent knowledge on the organization of complex motor generation and on mechanics and dynamics of locomotion has been successfully exploited to pursue agile robot locomotion. The work presented on this manuscript is part of an effort on the pursuit in devising a general, model free solution, for the generation of robust and adaptable walking behaviors. It strives to devise a practical solution applicable to real robots, such as the Sony’s quadruped AIBO and Robotis’ DARwIn- OP humanoid. The discussed solutions are inspired on the functional description of the vertebrate neural systems, especially on the concept of Central Pattern Generators (CPGs), their structure and organization, components and sensorimotor interactions. They use a dynamical systems approach for the implementation of the controller, especially on the use of nonlinear oscillators and exploitation of their properties. The main topics of this thesis are divided into three parts. The first part concerns quadruped locomotion, extending a previous CPG solution using nonlinear oscillators, and discussing an organization on three hierarchical levels of abstraction, sharing the purpose and knowledge of other works. It proposes a CPG solution which generates the walking motion for the whole-leg, which is then organized in a network for the production of quadrupedal gaits. The devised solution is able to produce goal-oriented locomotion and navigation as directed through highlevel commands from local planning methods. In this part, active balance on a standing quadruped is also addressed, proposing a method based on dynamical systems approach, exploring the integration of parallel postural mechanisms from several sensory modalities. The solutions are all successfully tested on the quadruped AIBO robot. In the second part, is addressed bipedal walking for humanoid robots. A CPG solution for biped walking based on the concept of motion primitives is proposed, loosely based on the idea of synergistic organization of vertebrate motor control. A set of motion primitives is shown to produce the basis of simple biped walking, and generalizable to goal-oriented walking. Using the proposed CPG, the inclusion of feedback mechanisms is investigated, for modulation and adaptation of walking, through phase transition control according to foot load information. The proposed solution is validated on the humanoid DARwIn-OP, and its application is evaluated within a whole-body control framework. The third part sidesteps a little from the other two topics. It discusses the CPG as having an alternative role to direct motor generation in locomotion, serving instead as a processor of sensory information for a feedback based motor generation. In this work a reflex based walking controller is devised for the compliant quadruped Oncilla robot, to serve as purely feedback based walking generation. The capabilities of the reflex network are shown in simulations, followed by a brief discussion on its limitations, and how they could be improved by the inclusion of a CPG.Esta tese apresenta uma tentativa de avanço no controlo de locomoção para pequenos robôs quadrúpedes e bipedes controlados por posição, endereçando o problema de geração motora através da combinação da abordagem de sistemas dinâmicos para o controlo motor, e perspectivas de investigação neuroetologia no controlo motor vertebrado e neurociência computacional. Andar é um processo dinâmico e complexo, apesar de parecer um comportamento fácil e natural devido à presença constante de animais proficientes em locomoção terrestre. Investigação na área da locomoção e controlo motor em animais vertebrados nas últimas decadas, trouxe à atenção dos roboticistas o potencial das soluções encontradas pela natureza aplicadas a aplicações robóticas. Conhecimento recente relativo à geração de comportamentos motores complexos e da mecânica da locomoção tem sido explorada com sucesso na procura de locomoção ágil na robótica. O trabalho apresentado neste documento é parte de um esforço no desenho de uma solução geral, e independente de modelos, para a geração robusta e adaptável de comportamentos locomotores. O foco é desenhar uma solução prática, aplicável a robôs reais, tal como o quadrúpede Sony AIBO e o humanóide DARwIn-OP. As soluções discutidas são inspiradas na descrição funcional do sistema nervoso vertebrado, especialmente no conceito de Central Pattern Generators (CPGs), a sua estrutura e organização, componentes e interacção sensorimotora. Estas soluções são implementadas usando uma abordagem em sistemas dinâmicos, focandos o uso de osciladores não lineares e a explorando as suas propriedades. Os tópicos principais desta tese estão divididos em três partes. A primeira parte explora o tema de locomoção quadrúpede, expandindo soluções prévias de CPGs usando osciladores não lineares, e discutindo uma organização em três níveis de abstracção, partilhando as ideias de outros trabalhos. Propõe uma solução de CPG que gera os movimentos locomotores para uma perna, que é depois organizado numa rede, para a produção de marcha quadrúpede. A solução concebida é capaz de produzir locomoção e navegação, comandada através de comandos de alto nível, produzidos por métodos de planeamento local. Nesta parte também endereçado o problema da manutenção do equilíbrio num robô quadrúpede parado, propondo um método baseado na abordagem em sistemas dinâmicos, explorando a integração de mecanismos posturais em paralelo, provenientes de várias modalidades sensoriais. As soluções são todas testadas com sucesso no robô quadrupede AIBO. Na segunda parte é endereçado o problema de locomoção bípede. É proposto um CPG baseado no conceito de motion primitives, baseadas na ideia de uma organização sinergética do controlo motor vertebrado. Um conjunto de motion primitives é usado para produzir a base de uma locomoção bípede simples e generalizável para navegação. Esta proposta de CPG é usada para de seguida se investigar a inclusão de mecanismos de feedback para modulação e adaptação da marcha, através do controlo de transições entre fases, de acordo com a informação de carga dos pés. A solução proposta é validada no robô humanóide DARwIn-OP, e a sua aplicação no contexto do framework de whole-body control é também avaliada. A terceira parte desvia um pouco dos outros dois tópicos. Discute o CPG como tendo um papel alternativo ao controlo motor directo, servindo em vez como um processador de informação sensorial para um mecanismo de locomoção puramente em feedback. Neste trabalho é desenhado um controlador baseado em reflexos para a geração da marcha de um quadrúpede compliant. As suas capacidades são demonstradas em simulação, seguidas por uma breve discussão nas suas limitações, e como estas podem ser ultrapassadas pela inclusão de um CPG.The presented work was possible thanks to the support by the Portuguese Science and Technology Foundation through the PhD grant SFRH/BD/62047/2009

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

Instrumentation of a cane to detect and prevent falls

Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Biomédica (área de especialização em Eletrónica Médica)The number of falls is growing as the main cause of injuries and deaths in the geriatric community. As a result, the cost of treating the injuries associated with falls is also increasing. Thus, the development of fall-related strategies with the capability of real-time monitoring without user restriction is imperative. Due to their advantages, daily life accessories can be a solution to embed fall-related systems, and canes are no exception. Moreover, gait assessment might be capable of enhancing the capability of cane usage for older cane users. Therefore, reducing, even more, the possibility of possible falls amongst them. Summing up, it is crucial the development of strategies that recognize states of fall, the step before a fall (pre-fall step) and the different cane events continuously throughout a stride. This thesis aims to develop strategies capable of identifying these situations based on a cane system that collects both inertial and force information, the Assistive Smart Cane (ASCane). The strategy regarding the detection of falls consisted of testing the data acquired with the ASCane with three different fixed multi-threshold fall detection algorithms, one dynamic multi-threshold and machine learning methods from the literature. They were tested and modified to account the use of a cane. The best performance resulted in a sensitivity and specificity of 96.90% and 98.98%, respectively. For the detection of the different cane events in controlled and real-life situations, a state-of-the-art finite-state-machine gait event detector was modified to account the use of a cane and benchmarked against a ground truth system. Moreover, a machine learning study was completed involving eight feature selection methods and nine different machine learning classifiers. Results have shown that the accuracy of the classifiers was quite acceptable and presented the best results with 98.32% of overall accuracy for controlled situations and 94.82% in daily-life situations. Regarding pre-fall step detection, the same machine learning approach was accomplished. The models were very accurate (Accuracy = 98.15%) and with the implementation of an online post-processing filter, all the false positive detections were eliminated, and a fall was able to be detected 1.019s before the end of the corresponding pre-fall step and 2.009s before impact.O número de quedas tornou-se uma das principais causas de lesões e mortes na comunidade geriátrica. Como resultado, o custo do tratamento das lesões também aumenta. Portanto, é necessário o desenvolvimento de estratégias relacionadas com quedas e que exibam capacidade de monitorização em tempo real sem colocar restrições ao usuário. Devido às suas vantagens, os acessórios do dia-a-dia podem ser uma solução para incorporar sistemas relacionados com quedas, sendo que as bengalas não são exceção. Além disso, a avaliação da marcha pode ser capaz de aprimorar a capacidade de uso de uma bengala para usuários mais idosos. Desta forma, é crucial o desenvolvimento de estratégias que reconheçam estados de queda, do passo anterior a uma queda e dos diferentes eventos da marcha de uma bengala. Esta dissertação tem como objetivo desenvolver estratégias capazes de identificar as situações anteriormente descritas com base num sistema incorporado numa bengala que coleta informações inerciais e de força, a Assistive Smart Cane (ASCane). A estratégia referente à deteção de quedas consistiu em testar os dados adquiridos através da ASCane com três algoritmos de deteção de quedas (baseados em thresholds fixos), com um algoritmo de thresholds dinâmicos e diferentes classificadores de machine learning encontrados na literatura. Estes métodos foram testados e modificados para dar conta do uso de informação adquirida através de uma bengala. O melhor desempenho alcançado em termos de sensibilidade e especificidade foi de 96,90% e 98,98%, respetivamente. Relativamente à deteção dos diferentes eventos da ASCane em situações controladas e da vida real, um detetor de eventos da marcha foi e comparado com um sistema de ground truth. Além disso, foi também realizado um estudo de machine learning envolvendo oito métodos de seleção de features e nove classificadores diferentes de machine learning. Os resultados mostraram que a precisão dos classificadores foi bastante aceitável e apresentou, como melhores resultados, 98,32% de precisão para situações controladas e 94.82% para situações do dia-a-dia. No que concerne à deteção de passos pré-queda, a mesma abordagem de machine learning foi realizada. Os modelos foram precisos (precisão = 98,15%) e com a implementação de um filtro de pós-processamento, todas as deteções de falsos positivos foram eliminadas e uma queda foi passível de ser detetada 1,019s antes do final do respetivo passo de pré-queda e 2.009s antes do impacto