Análisis, diseño y evaluación de estrategias de control de fuerza en robots caminantes

Esta Tesis Doctoral se centra en la realización de investigaciones en el campo de la robótica, y más concretamente en el análisis, diseño y evaluación de estrategias de control de fuerza y su aplicación a los robots caminantes. Entre otras ventajas potenciales que ofrece la incorporación de sistemas de control de fuerza en robots caminantes, se pueden destacar como las más significativas: evitar el riesgo de deslizamiento en los pies, mejora de la estabilidad mediante el control de la distribución de las fuerzas en las patas, disminución de la influencia de perturbaciones externas o internas (incluyendo errores de modelado), mejor adaptación al entorno, conseguir movimientos suaves (acomodaticios) del robot, evitar vibraciones innecesarias en la estructura mecánica, y optimizar el consumo de energía para hacer a los robots más autónomos. Así pues, esta memoria se desenvuelve en torno a una línea de investigación: el control de fuerza y su contribución a resolver problemas relacionados con la estabilidad y el control de la interacción con el entorno, en el campo de los robots caminantes. Entre los diversos tipos de robots caminantes posibles, se ha afrontado el problema del control de fuerza en dos casos de especial interés: robots humanoides y robots cuadrúpedos, que presentan problemáticas diferenciadas, y también algunos elementos comunes. En la tesis se investigan y proponen nuevas estrategias de control de fuerza para estos tipos de robots caminantes, lo que involucra el diseño de sensores de fuerza específicos. Los algoritmos de control propuestos aportan nuevas soluciones al problema del control de fuerza de las máquinas caminantes, que son de especial interés cuando éstas se desplazan por terreno irregular o están sometidas a perturbaciones. Se han seleccionado un robot humanoide que emplea accionamientos lineales y no lineales, y un robot cuadrúpedo de grandes dimensiones, como candidatos para realizar la parte de implementación de algoritmos y de evaluación experimental. Sobre las dos plataformas seleccionadas, se han llevado a cabo numerosos experimentos con la finalidad de verificar el grado de consecución de los objetivos propuestos, con resultados muy satisfactorios.Esta Tesis Doctoral se centra en la realización de investigaciones en el campo de la robótica, y más concretamente en el análisis, diseño y evaluación de estrategias de control de fuerza y su aplicación a los robots caminantes. Entre otras ventajas potenciales que ofrece la incorporación de sistemas de control de fuerza en robots caminantes, se pueden destacar como las más significativas: evitar el riesgo de deslizamiento en los pies, mejora de la estabilidad mediante el control de la distribución de las fuerzas en las patas, disminución de la influencia de perturbaciones externas o internas (incluyendo errores de modelado), mejor adaptación al entorno, conseguir movimientos suaves (acomodaticios) del robot, evitar vibraciones innecesarias en la estructura mecánica, y optimizar el consumo de energía para hacer a los robots más autónomos. Así pues, esta memoria se desenvuelve en torno a una línea de investigación: el control de fuerza y su contribución a resolver problemas relacionados con la estabilidad y el control de la interacción con el entorno, en el campo de los robots caminantes. Entre los diversos tipos de robots caminantes posibles, se ha afrontado el problema del control de fuerza en dos casos de especial interés: robots humanoides y robots cuadrúpedos, que presentan problemáticas diferenciadas, y también algunos elementos comunes. En la tesis se investigan y proponen nuevas estrategias de control de fuerza para estos tipos de robots caminantes, lo que involucra el diseño de sensores de fuerza específicos. Los algoritmos de control propuestos aportan nuevas soluciones al problema del control de fuerza de las máquinas caminantes, que son de especial interés cuando éstas se desplazan por terreno irregular o están sometidas a perturbaciones. Se han seleccionado un robot humanoide que emplea accionamientos lineales y no lineales, y un robot cuadrúpedo de grandes dimensiones, como candidatos para realizar la parte de implementación de algoritmos y de evaluación experimental. Sobre las dos plataformas seleccionadas, se han llevado a cabo numerosos experimentos con la finalidad de verificar el grado de consecución de los objetivos propuestos, con resultados muy satisfactorios

Análisis cinemático del brazo robótico de Stanford

En este objeto de aprendizaje se presenta un análisis detallado para la obtención de la cinemática directa del brazo robótico de Stanford utilizando los parámetros de Denavit-Hartenberg. Se presenta la utilización de la herramienta Rotbotics Toolbox de Peter Corke para comprobar los parámetros de D-H y para hacer las simulaciones básicas requeridas.En este objeto de aprendizaje se presenta un análisis detallado para la obtención de la cinemática directa del brazo robótico de Stanford utilizando los parámetros de Denavit-Hartenberg. Se presenta la utilización de la herramienta Rotbotics Toolbox de Peter Corke para comprobar los parámetros de D-H y para hacer las simulaciones básicas requeridas

Estabilidad de un robot cuadrúpedo durante un modo de caminar cuasi-estático mediante realimentación del ZMP

En este artículo se explica un método para lograr la estabilidad de un robot caminante de cuatro patas durante una locomoción cuasi-estática. Esta locomoción se conoce con el nombre de modo de caminar discontinuo de dos fases [1]. El método incluye las mediciones de las fuerzas en cada una de las patas del robot en el eje de las "z", para ello, se implementan galgas extensiométricas sobre el eje de cada pie del robot [2]. El robot utilizado como plataforma experimental es un robot cuadrúpedo caminante y escalador de grandes dimensiones, accionado hidráulicamente, llamado ROBOCLIMBER [3]. Con la medición de las fuerzas en cada una de las patas del robot se realiza el cálculo, en tiempo real, del punto de momento cero, ampliamente conocida en el mundo de la robótica con el acrónimo de ZMP [4] (del inglés Zero-Moment point). El método de estabilidad propuesto compara el ZMP con centro de gravedad (cdg) del robot en cada instante durante el modo de caminar. El error que existe de la diferencia de estas variables, se convierte a través del sistema de control, en las fuerzas deseadas que deben tener cada una de las patas de la máquina para que el ZMP del robot esté dentro de los márgenes de estabilidad (polígono de soporte)

Vertical Movement of Resonance Hopping Robot with Electric Drive and Simple Control System

In the paper vertical movements of resonance hopping robot with one leg and electric drive are considered. Special construction of hopping robot with compensation of losses during flight of the robot allows to employ a relatively simple control system as well as to get a stable regime of its operation. The designed robot has self-properties to maintain a specified height of jumping even with simple control system. Results of dynamical calculations, simulations and experimental testing are presented.In the paper vertical movements of resonance hopping robot with one leg and electric drive are considered. Special construction of hopping robot with compensation of losses during flight of the robot allows to employ a relatively simple control system as well as to get a stable regime of its operation. The designed robot has self-properties to maintain a specified height of jumping even with simple control system. Results of dynamical calculations, simulations and experimental testing are presented

Reliable, Built-in, High-Accuracy Force Sensing for Legged Robots

An approach for achieving reliable, built-in, high-accuracy force sensing for legged robots is presented, based on direct exploitation of the properties of a robot’s mechanical structure. The proposed methodology relies on taking account of force-sensing requirements at the robot design stage, with a view to embedding force-sensing capability within the mechanical structure of the robot itself. The test case is ROBOCLIMBER, a bulky, quadruped climbing and walking machine whose weighty legs enable it to carry out heavy-duty drilling operations. The paper shows that, with finite-element analysis of ROBOCLIMBER’s mechanical configuration during the design stage, candidate positions can be selected for the placement of force transducers to measure indirectly the contact forces between the feet and the ground. Force sensors are then installed at the theoretically best positions on the mechanical structure, and several experiments are carried out to calibrate all sensors within their operational range of interest. After calibration, the built-in sensors are subjected to experimental performance evaluation, and the final best sensor option is found. The built-in force-sensing capability thus implemented is subjected to its first test of usability when it is employed to compute the actual centre of gravity of ROBOCLIMBER. The method is shown to be useful for determining variation during a gait (due to the non-negligible weight of the legs). Afterwards the force sensors are shown to be useful for controlling foot-ground interaction, and several illustrative experiments confirm the high sensitivity, reliability and accuracy of the selected approach. Lastly, the built-in sensors are used to measure ground-reaction forces and to compute the zero-moment point for ROBOCLIMBER in real time, both while standing and while executing a dynamically balanced gait.An approach for achieving reliable, built-in, high-accuracy force sensing for legged robots is presented, based on direct exploitation of the properties of a robot’s mechanical structure. The proposed methodology relies on taking account of force-sensing requirements at the robot design stage, with a view to embedding force-sensing capability within the mechanical structure of the robot itself. The test case is ROBOCLIMBER, a bulky, quadruped climbing and walking machine whose weighty legs enable it to carry out heavy-duty drilling operations. The paper shows that, with finite-element analysis of ROBOCLIMBER’s mechanical configuration during the design stage, candidate positions can be selected for the placement of force transducers to measure indirectly the contact forces between the feet and the ground. Force sensors are then installed at the theoretically best positions on the mechanical structure, and several experiments are carried out to calibrate all sensors within their operational range of interest. After calibration, the built-in sensors are subjected to experimental performance evaluation, and the final best sensor option is found. The built-in force-sensing capability thus implemented is subjected to its first test of usability when it is employed to compute the actual centre of gravity of ROBOCLIMBER. The method is shown to be useful for determining variation during a gait (due to the non-negligible weight of the legs). Afterwards the force sensors are shown to be useful for controlling foot-ground interaction, and several illustrative experiments confirm the high sensitivity, reliability and accuracy of the selected approach. Lastly, the built-in sensors are used to measure ground-reaction forces and to compute the zero-moment point for ROBOCLIMBER in real time, both while standing and while executing a dynamically balanced gait

Lateral and Longitudinal Control System for the Automation of an Articulated Bus

This paper presents several results regarding the lateral and longitudinal control systems that have been applied for the automation of an articulated bus, using a rolling wheeled box system with special design that moves inside a guide rail. Nowadays, transport systems are achieving major advances by the incorporation of automation based technologies. Recent developments of electronic instrumentation and actuation systems and the increasing speed of processors allows for the implementation of real-time systems. The automation of an articulated bus provides combined advantages of both conventional bus and train, because it can ascend slopes of 15% and turn on curves of low radius. This transport modality is an interesting, low cost and friendly option. In this paper an experimental setup for the development of lateral and longitudinal control of the articulated bus is presented. Comprised by an experimental mobile platform (articulated bus) fully instrumented and a ground test area of asphalt roads inside CSIC installations, this experimental facility allows full testing of automatic driving systems.This paper presents several results regarding the lateral and longitudinal control systems that have been applied for the automation of an articulated bus, using a rolling wheeled box system with special design that moves inside a guide rail. Nowadays, transport systems are achieving major advances by the incorporation of automation based technologies. Recent developments of electronic instrumentation and actuation systems and the increasing speed of processors allows for the implementation of real-time systems. The automation of an articulated bus provides combined advantages of both conventional bus and train, because it can ascend slopes of 15% and turn on curves of low radius. This transport modality is an interesting, low cost and friendly option. In this paper an experimental setup for the development of lateral and longitudinal control of the articulated bus is presented. Comprised by an experimental mobile platform (articulated bus) fully instrumented and a ground test area of asphalt roads inside CSIC installations, this experimental facility allows full testing of automatic driving systems

Utilización de la Comunicación por Radiofrecuencia para la Detección de Vehículos en Movimiento: Revisión del Estado del Arte

This article presents the state of the art on the use of radiofrequency communication for the detection of objects and vehicles in motion, through the interaction between transmitter and receiver devices using ISM (Industrial, Scientific and Medical) bands. By quantifying parameters such as the absence or presence of signals and their intensity, it is possible to approximate the distance between an emitting device and a receiver, localized in the vehicle and a fixed point, respectively . The study of the methodologies used in this article aims to develop a system oriented to guide people with visual disabilities in the public transportation system, taking advantage of the main characteristics of radiofrequency communication: low cost, easy implementation and full compatibility with electronic boards built on embedded systems.Keywords: radiofrequency, ISM bands, detection of vehicles in motion, support for visual disability people, ET

Multisensory System for Fruit Harvesting Robots. Experimental Testing in Natural Scenarios and with Different Kinds of Crops

The motivation of this research was to explore the feasibility of detecting and locating fruits from different kinds of crops in natural scenarios. To this end, a unique, modular and easily adaptable multisensory system and a set of associated pre-processing algorithms are proposed. The offered multisensory rig combines a high resolution colour camera and a multispectral system for the detection of fruits, as well as for the discrimination of the different elements of the plants, and a Time-Of-Flight (TOF) camera that provides fast acquisition of distances enabling the localisation of the targets in the coordinate space. A controlled lighting system completes the set-up, increasing its flexibility for being used in different working conditions. The pre-processing algorithms designed for the proposed multisensory system include a pixel-based classification algorithm that labels areas of interest that belong to fruits and a registration algorithm that combines the results of the aforementioned classification algorithm with the data provided by the TOF camera for the 3D reconstruction of the desired regions. Several experimental tests have been carried out in outdoors conditions in order to validate the capabilities of the proposed system.The motivation of this research was to explore the feasibility of detecting and locating fruits from different kinds of crops in natural scenarios. To this end, a unique, modular and easily adaptable multisensory system and a set of associated pre-processing algorithms are proposed. The offered multisensory rig combines a high resolution colour camera and a multispectral system for the detection of fruits, as well as for the discrimination of the different elements of the plants, and a Time-Of-Flight (TOF) camera that provides fast acquisition of distances enabling the localisation of the targets in the coordinate space. A controlled lighting system completes the set-up, increasing its flexibility for being used in different working conditions. The pre-processing algorithms designed for the proposed multisensory system include a pixel-based classification algorithm that labels areas of interest that belong to fruits and a registration algorithm that combines the results of the aforementioned classification algorithm with the data provided by the TOF camera for the 3D reconstruction of the desired regions. Several experimental tests have been carried out in outdoors conditions in order to validate the capabilities of the proposed system

Evaluation of a Sensory Tracking System for Hand-held Detectors in Outdoor Conditions

This paper presents the experimental results obtained throughout the outdoor testing of a sensory tracking system specifically designed as part of a training tool for improving the utilisation of hand-held detectors. The proposed system is able to acquire information in two different scenarios: when the expert’s skills are studied in order to quantify some critical performance variables and when the deminers’ performance is evaluated during the close- in-detection training tasks, in order to give the operator significant feedback for improving their competences. Additionally to previously studied variables such as the safety distance to advance the detector search-head on each sweep, the sweep velocity, the scan height, the inclination of the hand-held detector head with respect to the ground and the coverage area, a special emphasis related to the geo-referencing of the hand-held detector head in real-time is provided.This paper presents the experimental results obtained throughout the outdoor testing of a sensory tracking system specifically designed as part of a training tool for improving the utilisation of hand-held detectors. The proposed system is able to acquire information in two different scenarios: when the expert’s skills are studied in order to quantify some critical performance variables and when the deminers’ performance is evaluated during the close- in-detection training tasks, in order to give the operator significant feedback for improving their competences. Additionally to previously studied variables such as the safety distance to advance the detector search-head on each sweep, the sweep velocity, the scan height, the inclination of the hand-held detector head with respect to the ground and the coverage area, a special emphasis related to the geo-referencing of the hand-held detector head in real-time is provided

Aplicación Móvil para el Monitoreo de Personas con Discapacidad Visual

En este artículo se presenta el prototipo de una aplicación móvil denominada TEUBICA, que proporciona a las personas con discapacidad visual (PcDV) la capacidad de conocer el lugar donde se encuentra, brindándole un mejor sentido de orientación en el proceso de movilización y, por lo tanto, una suficiente autonomía. Con este prototipo se pretende que las personas con discapacidad visual puedan identificar la posición en la que se encuentra y en caso de extravío o desorientación pueda enviar alertas de ayuda a la persona responsable del él/ella para que ésta pueda obtener información en tiempo real acerca de la ubicación geográfica de la PcDV, a través de su Smartphone. El sistema propuesto realiza el proceso en tiempo real, de tal manera que proporciona seguridad a las PcDV y la posibilidad de emisión de alertas, las cuales ayudan a prevenir que se extravíen, además de facilitar la orientación adecuada y la autonomía para llegar a sus destinos.En este artículo se presenta el prototipo de una aplicación móvil denominada TEUBICA, que proporciona a las personas con discapacidad visual (PcDV) la capacidad de conocer el lugar donde se encuentra, brindándole un mejor sentido de orientación en el proceso de movilización y, por lo tanto, una suficiente autonomía. Con este prototipo se pretende que las personas con discapacidad visual puedan identificar la posición en la que se encuentra y en caso de extravío o desorientación pueda enviar alertas de ayuda a la persona responsable del él/ella para que ésta pueda obtener información en tiempo real acerca de la ubicación geográfica de la PcDV, a través de su Smartphone. El sistema propuesto realiza el proceso en tiempo real, de tal manera que proporciona seguridad a las PcDV y la posibilidad de emisión de alertas, las cuales ayudan a prevenir que se extravíen, además de facilitar la orientación adecuada y la autonomía para llegar a sus destinos