Simultaneous trajectory and contact planning of a walking robot

[Resumen] En este artículo estudiamos la planificación simultánea de la trayectoria y de los apoyos de las patas de un robot en terrenos irregulares. Partimos del algoritmo A estrella (A*), que busca el camino más corto entre dos puntos. Primero se modela el terreno con un mallado triangular y se subdividen los triángulos, para tomar como espacio de búsqueda del A* los centroides de dichos triángulos. En segundo lugar, con respecto al A* original, se ha considerado la estabilidad del robot en cada centroide, de modo que el coste en un centroide sea penalizado si el robot es inestable y nulo si es estable. La estabilidad en cada punto de contacto se determina calculando que la reacción del terreno en ese punto esté contenida en un cono de fricción con una aproximación lineal. Por último, se obtiene la trayectoria, los puntos de contacto de cada pata, así como la postura del robot en cada posición.[Abstract] In this paper we study the simultaneous planning of the trajectory and leg supports of a robot on uneven terrain. We start with the A-star algorithm (A*), which searches for the shortest path between two points. First, the terrain is modelled with a triangular mesh and the triangles are subdivided to take the centroids of these triangles as the search space of the A*. Secondly, with respect to the original A*, the stability of the robot at each centroid is considered, so that the cost at a centroid is penalised if the robot is unstable and zero if it is stable. The stability at each contact point is determined by calculating that the ground reaction at that point is contained in a linear approximation of the friction cone. Finally, the trajectory, the contact points of each leg, as well as the robot's posture at each position are obtained.Generalitat Valenciana; INVEST/2022/432Generalitat Valenciana; CIGE/2021/177Ministerio de Ciencia e Innovación; MCIN/AEI/10.13039/50110001103

Kinematic Analysis and Design of the HyReCRo Robot: a Serial- Parallel and Redundant Structure-Climbing Robot

Three-dimensional vertical structures such as bridges, skeletons of buildings in the construction industry, or electrical and telecommunication towers, require inspection and maintenance tasks. These tasks imply important risks for the human operators that usually perform them, such as falling from heights. A solution to this problem consists in using climbing robots for performing such dangerous tasks. This thesis presents the kinematic analysis and design of the HyReCRo robot (Hybrid Redundant Climbing Robot), a robot designed for climbing threedimensional metallic structures. This robot is redundant and has a hybrid architecture, since it is composed of four 2RPR-PR parallel mechanisms serially connected. The main characteristic of this robot is that it can be driven by binary actuators in order to get closer to the basic postures necessary for exploring three-dimensional structures (namely: convex and concave plane transitions), finely adjusting later the pose of its grippers by means of continuous actuation, in order to adhere its grippers to the climbed structure. This mixed binarycontinuous strategy facilitates the control and movement planning of the robot, which usually are very complex tasks in structure-climbing robots. The present thesis is focused on the study of the HyReCRo robot as a continuously-actuated robot, with the purpose of using mixed actuation strategies in the future. In the first place, this thesis presents a complete kinematic analysis of the HyReCRo robot and of the parallel mechanisms that make up its legs. Regarding the kinematic analysis of these parallel mechanisms, this thesis demonstrates that these mechanisms can enlarge their workspace by switching between different assembly modes without traversing singularities. This occurs when enclosing special isolated singularities which are fourfold solutions of the forward kinematic problem of these parallel mechanisms. Regarding the kinematic analysis of the complete HyReCRo robot, this thesis solves both its forward and inverse kinematic problems, obtaining simple parameterizations of the 4- and 5- dimensional self-motion manifolds of this robot. These kinematic analyses are performed with the help of PaRoLa, a collection of graphical simulators developed specifically in the present thesis with the purpose of facilitating the kinematic analysis of parallel robots. The present thesis also presents the study of the workspace of the HyReCRo robot, with the purpose of designing this robot so that it can perform convex and concave plane transitions required for exploring structures. As a result of this workspace analysis, this thesis proposes two new methods for obtaining the workspace of redundant robots, like the HyReCRo robot.Las estructuras verticales tridimensionales, como los puentes, los esqueletos de edificios en la industria de la construcción, o las torres eléctricas y de telecomunicación, requieren tareas de inspección y mantenimiento. Dichas tareas suponen riesgos importantes para los operarios humanos que las realizan habitualmente, como la caída desde altura. Una solución a este problema pasa por utilizar robots trepadores para desarrollar tales peligrosas tareas. Esta tesis presenta el análisis cinemático y diseño del robot HyReCRo (Hybrid Redundant Climbing Robot), un robot diseñado para trepar por estructuras metálicas tridimensionales. Se trata de un robot redundante y de arquitectura híbrida, formado por la conexión en serie de cuatro mecanismos paralelos de tipo 2RPR-PR. La principal característica de este robot es que puede ser accionado de forma binaria para aproximarse a las posturas básicas necesarias para explorar estructuras tridimensionales (a saber: transiciones convexas y cóncavas entre distintos planos de trabajo), ajustando posteriormente de forma fina la pose de sus garras mediante actuación continua para fijar sus garras a la estructura. Esta estrategia mixta binaria-continua facilita el control y la planificación de movimientos del robot, tareas que suelen ser muy complejas en robots trepadores de estructuras. Esta tesis se focaliza en el estudio del robot HyReCRo como robot accionado de forma continua, con el fin de poder operarlo mediante estrategias mixtas en el futuro. En primer lugar, esta tesis presenta un análisis cinemático completo del robot HyReCRo y de los mecanismos paralelos que forman sus patas. En cuanto al análisis cinemático de dichos mecanismos paralelos, en esta tesis se demuestra que éstos pueden ampliar su espacio de trabajo alternando entre distintos modos de ensamblado sin cruzar singularidades. Esto ocurre al rodear singularidades aisladas especiales que son soluciones cuádruples del problema cinemático directo de dichos mecanismos paralelos. En cuanto al análisis cinemático del robot HyReCRo completo, se resuelven en esta tesis sus problemas cinemáticos directo e inverso, obteniéndose parametrizaciones sencillas de las variedades de auto-movimiento 4- y 5-dimensionales de este robot. Estos análisis cinemáticos se realizan con la ayuda de PaRoLa, una colección de simuladores gráficos desarrollados específicamente en la presente tesis para facilitar el análisis cinemático de robots paralelos. La presente tesis también presenta el estudio del espacio de trabajo del robot HyReCRo, con el fin de diseñar este robot para que pueda realizar las transiciones convexas y cóncavas requeridas para explorar estructuras. Como resultado de este análisis del espacio de trabajo, se proponen en esta tesis dos nuevos métodos para determinar el espacio de trabajo de robots redundantes, como el robot HyReCRo.El primer método propuesto se trata de un método Monte Carlo mejorado, capaz de obtener las fronteras del espacio de trabajo con mucha más precisión que los métodos Monte Carlo preexistentes, requiriendo el mismo o menos tiempo de cálculo que dichos métodos. Dicho método se basa en hacer crecer de forma uniforme el espacio de trabajo mediante distribuciones aleatorias normales, hasta alcanzar las fronteras del mismo. El segundo método propuesto en esta tesis es un método capaz de obtener las fronteras y barreras interiores del espacio de trabajo de robots redundantes debidas a restricciones de colisión generales, que son difíciles de obtener mediante los métodos preexistentes, los cuales presentan dificultades notables para manejar tales restricciones de colisión. El método propuesto identifica el desvanecimiento de variedades de auto-movimiento del robot con la ocurrencia de barreras interiores, y consta de tres etapas. Primero, se muestrean densamente dichas variedades de auto-movimiento, descartando las muestras que no cumplen las restricciones de colisión. Seguidamente, se agrupan las muestras no descartadas mediante kd-trees, con el fin de identificar componentes disjuntas de dichas variedades. Por último, se comparan las variedades disjuntas identificadas en pares de puntos vecinos del espacio de trabajo, para determinar si alguna de dichas variedades se desvanece al viajar de un punto a su vecino. La aplicación de este método demuestra que las restricciones de colisión alteran drásticamente la distribución de barreras interiores dentro del espacio de trabajo.Finalmente, esta tesis concluye con el desarrollo de un prototipo totalmente funcional del robot HyReCRo. Dicho prototipo, que pesa 2.19 kg, utiliza garras magnéticas basadas en la tecnología de imanes permanentes alternables (switchable magnets), logrando una fuerza de adhesión de 33 kg por garra. Este prototipo ha sido validado con éxito en estructuras de acero reales

Comparative analysis of segmentation techniques for reticular structures

[Resumen] El presente articulo pretende comparar nuestro trabajo anterior en segmentación de estructuras reticulares con redes neuronales frente a un algoritmo ad hoc con el mismo propósito. Actualmente, las redes neuronales o la inteligencia artificial son conceptos muy usados y sinónimos de avances y mejoras, pero en determinados casos es posible emplear técnicas más clásicas, fuera del paradigma de la inteligencia artificial para desarrollar el mismo tipo de tareas con resultados muy similares. Para corroborar esta última mención, en el presente artículo se realiza un análisis comparativo de forma cuantitativa y cualitativa entre un algoritmo ad hoc y el mejor modelo de red neuronal en nuestro último trabajo para segmentar estructuras reticulares. Para la implementación del algoritmo se emplean métodos clásicos como Random Sample Consensus (RANSAC) y crecimiento de regiones. Para realizar la comparación de forma cuantitativa se emplean métricas estandarizadas como precision, recall y f1-score. Estas últimas se calcularán sobre una base de datos propia, compuesta por mil nubes de puntos y generada automáticamente en trabajos anteriores. El algoritmo en cuestión esta diseñado expresamente para tal base de datos.[Abstract] This article aims to compare our previous work on segmentation of reticular structures with neural networks against an ad hoc algorithm for the same purpose. Nowadays neural networks or artificial intelligence are widely used concepts synonymous with advances and improvements, but in certain cases it is possible to use more classical techniques, outside the paradigm of artificial intelligence to achieve the same type of tasks with similar results. To corroborate last mention, in this article we perform a quantitative and qualitative comparative analysis between an ad hoc algorithm and the best neural network model in our latest work for segmenting reticular structures. Conventional methods such as Random Sample Consensus (RANSAC) and region growing are used to implement the algorithm. Standardised metrics such as precision, recall and f1-score are used for quantitative comparison. The latter will be calculated on a proprietary dataset, consisting of a thousand point clouds automatically generated in previous work. The algorithm in question is designed specifically for such a database.Ministerio de Ciencia e Innovación; PID2020-116418RB-I00Ministerio de Ciencia e Innovación; TED2021-130901B-I0

Motion-planning of redundant robots with feasibility maps and RRT

[Resumen] Los manipuladores redundantes ofrecen múltiples ventajas, tales como manipulabilidad mejorada, o evasión de singularidades u obstáculos. Sin embargo, la redundancia cinemática también introduce retos adicionales, como la necesidad de resolver un problema de cinemática inversa indeterminado. Este artículo presenta un método novedoso para la planificación de trayectorias de manipuladores redundantes, basado en la exploración de mapas de factibilidad. El método propuesto es una extensión del algoritmo Rapidly-exploring Random Trees (RRT), modificado para explorar el espacio redundante de la tarea con la finalidad de encontrar un camino factible subóptimo en el espacio articular, sacrificando optimalidad por escalabilidad a mayor número de grados de redundancia. El método es capaz de seguir una trayectoria dada en el espacio de la tarea, mientras considera otras restricciones, como la evasión de obstáculos o límites articulares. El método se ha validado en simulación.[Abstract] Redundant manipulators offer multiple advantages, such as improved manipulability, or evasion of singularities and obstacles. However, kinematic redundancy also introduces additional difficulties, such as the need to solve an underdetermined inverse ki-nematics problem. This article presents a novel method for motion planning of redundant manipulators, based on the exploration of feasibility maps. The proposed method is an extension of the Rapidly-exploring Random Trees (RRT) algorithm, modified to explore the redundant task space with the purpose of finding a feasible suboptimal path in the joint space, sacrificing optimality for scalability to a higher number of degrees of redundancy. The method is capable of following a given trajectory in the task space, while considering other constraints, such as obstacle avoidance or joint limits. The method has been validated under simulation.Ministerio de Ciencia e Innovación; PID2020-116418RBI00Ministerio de Ciencia e Innovación; PRE2021-099226Generalitat Valenciana; CIGE/2021/17

Virtual mobile laboratory of parallel robots

[Resumen] Este artículo presenta m-PaRoLa, un laboratorio virtual educativo formado por simuladores para analizar robots paralelos. Al estar basados en Javascript, dichos simuladores pueden ejecutarse indistintamente tanto en navegadores de ordenadores de sobremesa como en navegadores de dispositivos móviles (como smartphones y tabletas). De esta manera, m-PaRoLa puede ser usado en metodologías de aprendizaje móvil (o m-learning) para reforzar la enseñanza y el aprendizaje de Robótica o Teoría de Máquinas y Mecanismos. Los simuladores presentados son muy visuales e intuitivos, y permiten al usuario analizar diversos problemas cinemáticos básicos de los robots paralelos.[Abstract] This paper presents m-PaRoLa, an educational virtual laboratory consisting of simulators for analyzing parallel robots. Since these simulators are based on Javascript, they can be run indistinctly on the web browsers of both desktop computers and mobile devices (such as smartphones and tablets). In this way, m-PaRoLa can be used in mobile learning (mlearning) methodologies, in order to support the teaching and learning of Robotics or Mechanism and Machine Theory. The presented simulators are very visual and intuitive, and allow the user to analyze some basic kinematic problems of parallel robots.Ministerio de Economía y Competitividad; DPI 2016-78361-RMinisterio de Educación; FPU13/0041

Jornadas Nacionales de Robótica y Bioingeniería 2023: Libro de actas

Las Jornadas de Robótica y Bioingeniería de 2023 tienen lugar en la Escuela Técnica Superior de Ingeniería Industrial de la Universidad Politécnica de IVIadrid, entre los días 14 y 16 de junio de 2023. En este evento propiciado por el Comité Español de Automática (CEA) tiene lugar la celebración conjunta de las XII Jornadas Nacionales de Robótica y el XIV Simposio CEA de Bioingeniería. Las Jornadas Nacionales de Robótica es un evento promovido por el Grupo Temático de Robótica (GTRob) de CEA para dar visibilidad y mostrar las actividades desarrolladas en el ámbito de la investigación y transferencia tecnológica en robótica. Asimismo, el propósito de Simposio de Bioingeniería, que cumple ahora su decimocuarta dicción, es el de proporcionar un espacio de encuentro entre investigadores, desabolladores, personal clínico, alumnos, industriales, profesionales en general e incluso usuarios que realicen su actividad en el ámbito de la bioingeniería. Estos eventos se han celebrado de forma conjunta en la anualidad 2023. Esto ha permitido aunar y congregar un elevado número de participantes tanto de la temática robótica como de bioingeniería (investigadores, profesores, desabolladores y profesionales en general), que ha posibilitado establecer puntos de encuentro, sinergias y colaboraciones entre ambos. El programa de las jornadas aúna comunicaciones científicas de los últimos resultados de investigación obtenidos, por los grupos a nivel español más representativos dentro de la temática de robótica y bioingeniería, así como mesas redondas y conferencias en las que se debatirán los temas de mayor interés en la actualidad. En relación con las comunicaciones científicas presentadas al evento, se ha recibido un total de 46 ponencias, lo que sin duda alguna refleja el alto interés de la comunidad científica en las Jornadas de Robótica y Bioingeniería. Estos trabajos serán expuestos y presentados a lo largo de un total de 10 sesiones, distribuidas durante los diferentes días de las Jornadas. Las temáticas de los trabajos cubren los principales retos científicos relacionados con la robótica y la bioingeniería: robótica aérea, submarina, terrestre, percepción del entorno, manipulación, robótica social, robótica médica, teleoperación, procesamiento de señales biológicos, neurorehabilitación etc. Confiamos, y estamos seguros de ello, que el desarrollo de las jornadas sea completamente productivo no solo para los participantes en las Jornadas que podrán establecer nuevos lazos y relaciones fructíferas entre los diferentes grupos, sino también aquellos investigadores que no hayan podido asistir. Este documento que integra y recoge todas las comunicaciones científicas permitirá un análisis más detallado de cada una de las mismas