Δυναμική και Έλεγχος Μονόποδου Ρομπότ με Έναν Επενεργητή σε Έδαφος με Υποχωρητικότητα

Abstract

Παρόλο που ο τομέας των ρομπότ με πόδια είναι από τους πιο αναπτυσσόμενους τομείς της ρομποτικής, πολλά ερωτήματα παραμένουν ακόμα ανοικτά. Μια από τις πιο ενδιαφέρουσες ερευνητικές προκλήσεις είναι η μελέτη της απόδοσης των ρομποτικών συστημάτων με πόδια σε έδαφος με υποχωρητικότητα. Για το λόγο αυτό, πρέπει να μελετηθεί η αλληλεπίδραση πέλματος και εδάφους. Για τη μελέτη της αλληλεπίδρασης πέλματος και εδάφους συνήθως αγνοούνται ορισμένες από τις επιδράσεις της παραμόρφωσης του εδάφους, όπως η συμπίεση και η μόνιμη παραμόρφωση εδάφους. Ωστόσο, αυτή η προσέγγιση περιορίζει τη χρήση των ρομπότ με πόδια σε δύσκαμπτα εδάφη. Αυτή η εργασία εστιάζει στη μελέτη της αλληλεπίδρασης πέλματος-εδάφους στην περίπτωση ενός μονόποδου ρομπότ με έναν επενεργητή σε έδαφος με υποχωρητικότητα. Σε αυτή την εργασία, χρησιμοποιείται ένα μοντέλο κρούσης που είναι εμπνευσμένο από άλλους κλάδους της μηχανικής και επιτρέπει μια πιο ενδελεχή μελέτη της συμπεριφοράς του ρομπότ κατά την κίνησή του σε έδαφος με υποχωρητικότητα. Αυτό το μοντέλο είναι μια επέκταση των βισκοελαστικών μοντέλων κρούσης και ονομάζεται βισκοπλαστικό. Προκειμένου να συμπεριληφθούν οι επιδράσεις της υποχωρητικότητας του εδάφους, αναπτύσσονται νέα δυναμικά μοντέλα του ρομπότ με αυξανόμενη πολυπλοκότητα. Τα δυναμικά μοντέλα ελέγχονται χρησιμοποιώντας διαφορετικούς ελεγκτές για άκαμπτο έδαφος και η συμπεριφορά τους εξετάζεται σε διαφορετικά εδάφη. Ακόμη, αναπτύσσεται ένας νέος ελεγκτής, βασισμένος σε προηγούμενες εργασίες, που αντιμετωπίζει προβλήματα ενεργειακών απωλειών χωρίς να απαιτεί γνώση των παραμέτρων του εδάφους. Αυτός ο ελεγκτής προσαρμόζεται γρήγορα στις αλλαγές εδάφους και αναπληρώνει τις ενεργειακές απώλειες. Επιπλέον, ο ελεγκτής λαμβάνει επιτυχημένα υπόψη φαινόμενα ολίσθησης κατά την προσγείωση του ρομπότ, αντιμετωπίζει προβλήματα που προκύπτουν από την κρούση του πέλματος με δύσκαμπτο έδαφος και μπορεί να χρησιμοποιηθεί για ανώμαλο έδαφος. Οι προσομοιώσεις που πραγματοποιούνται επιβεβαιώνουν αυτά τα στοιχεία. Τέλος, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η κατασκευή μιας πειραματικής διάταξης που θα χρησιμοποιηθεί για την επιβεβαίωση αυτών των προσομοιώσεων.

Although legged locomotion is a rapidly advancing area of robotics, many unresolved questions still exist. One of the most intriguing research challenges is the performance of legged robots on compliant terrains. For this reason, the foot-terrain interaction must be studied. The foot-terrain interaction is usually tackled by disregarding some of the effects of ground deformation like permanent deformation and compaction, however this approach restricts their application to stiff environments. This work focuses on the foot-terrain interaction of a hopping monopod robot with a single actuator when a compliant terrain exists. In this work, an impact dynamics model is used, which is inspired by other areas of engineering and allows a more thorough and straightforward study of the robot behavior during fast dynamic walking on compliant terrains. This approach uses an extension of the viscoelastic impact models, called viscoplastic. In order to include the effects of compliance, models of the robots with increasing complexity are presented. These dynamic models are tested using different controllers developed for stiff terrain and their performance is examined for different kinds of terrains. A novel monopod controller is also developed, based on previous works, which deals with energy dissipation issues, without requiring the knowledge of ground parameters. This controller adapts quickly to terrain alterations, compensating for energy losses. Additionally, the controller successfully regards the effects of slip during touchdown, copes with the problems that arise during hard impacts as the ground becomes stiffer and can be used in the case of irregular terrain. Simulation results prove the validity of the analysis presented. Finally, a specific approach towards the design and construction of the experimental setup, that will be used to validate the simulation results, is presented.