Dynamic analysis of the alternating tripod gait of a hexapod robot with C-legs

León Rivas, Jorge de (2020). Dynamic analysis of the alternating tripod gait of a hexapod robot with C-legs. Thesis (Doctoral), E.T.S.I. Industriales (UPM). https://doi.org/10.20868/UPM.thesis.66991.

Description

Title: Dynamic analysis of the alternating tripod gait of a hexapod robot with C-legs
Author/s:
  • León Rivas, Jorge de
Contributor/s:
  • Barrientos Cruz, Antonio
Item Type: Thesis (Doctoral)
Date: December 2020
Subjects:
Faculty: E.T.S.I. Industriales (UPM)
Department: Automática, Ingeniería Eléctrica y Electrónica e Informática Industrial
Creative Commons Licenses: Recognition - No derivative works - Non commercial

Full text

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Abstract

Conventional locomotion systems (wheels or tracks) have dominated terrestrial robotics since its inception, however, during the last two decades due to the limitation of robots with conventional systems to navigate on uneven terrain or overcoming obstacles, robots with legs have begun to have a great development. However, robots with legs present greater complexity both, in their mechanical design and in the control algorithms, because they need to constantly calculate that the center of gravity is located within the polygon formed by the legs in contact with the ground. Putting together the strengths of each of the traction systems, the conventional ones for their mechanical simplicity and the leg systems their ability to navigate any type of terrain, a new family of robots called C-legs emerged. The first robot of this family was developed in 2001 and involved a total of fourteen universities in North America under a program funded by DARPA. However, despite the success in the development of this platform, there are not many current developments that follow this line of research. During the develop of this thesis a study of search and rescue tasks where different ground robots have intervened has been carried out, although in the vast majority of cases, with conventional traction systems. Analyzing the number of successes and failures, and the reasons of the failures, it was decided to investigate the use of a C-Legs robot for search and rescue tasks, because its small size and the dexterity that its legs give it, generate expectations that the success rate of ground robots in search and rescue tasks can be increased. To do this, this thesis begins by analyzing the different platforms that have been developed. In order to develop a new C-legs platform, it has to must meet a series of premises like the replicability, simple manufacturing, great resistance to impacts and, of course, the ability to overcome obstacles such as steps. Once its design had been validated and the robot had been built, the thesis set out to analyze its movement capabilities, for this purpose, the method used by hexapod robots to walk was analyzed, mainly inspired by cockroaches and beetles and called alternating tripod. First, a new model based on SLIP was developed in Matlab, called Passive BSLIP, which is capable of finding the optimal working range for the different configurations that the legs can have. Subsequently, the alternating tripod algorithm was implemented in a finite state machine in Simulink and to validate the gait, a dynamic model of the robot was developed in MSC Adams with the particularity that the legs were modeled with finite elements, to be able to faithfully reproduce the elastic behavior of the same. After analyzing the results of the simulations, the same tests were carried out on the real platform, called CLHeRo (C-Leg Hexapod Robot) and in order to obtain measurements of the robot’s behavior, it was developed a test bench for mobile land robots. Another of the objectives addressed in this thesis has been the development of an environment (called ClegS), both for control and programming, a C-legs robot under the ROS environment. The control system bases its operation on two ROS nodes: the gait mode interface is in charge of managing the active gait mode and allows the send motion parameters to each of the registered gait patterns and, on the other hand, the gait interface, which filters the system messages and requests so that only those for the active gait pattern are published. For its part, the programming of the gait patterns can be done with the Clhero robot library, which helps to reduce programming times and helps in the readability and understanding of the code. One of the most important contributions of this thesis is the development of a novel algorithm for odometry based on the kinematics of mobile robots and the particular kinematics of the legs of the CLHeRo. Once the model was proposed, it was implemented as a ROS node and its validation was carried out through a series of tests both indoors and outdoors scenarios. Subsequently, the CLHeRo was provided with teleoperation capacity. Two methods of teleoperation are developed: by terminal and with command. Finally, the last implementation applied to the CLHeRo was to provide it with the ability to perform simultaneous localization and mapping (SLAM). For this, it was necessary to install a 2D laser and use the ROS standard package for this function, gmmaping. ----------RESUMEN---------- Los sistemas de locomoción convencionales (ruedas u orugas) han dominado la robótica terrestre desde sus comienzos, sin embargo, durante las últimas dos décadas los robots con patas han empezado a tener un gran desarrollo debido a la limitación de los robots con sistemas convencionales para navegar por terrenos irregulares o superar obstáculos. Sin embargo, los robots con patas presentan una mayor complejidad tanto en su diseño mecánico como en los algoritmos de control, pues necesitan estar constantemente calculando que el centro de gravedad se situé dentro del polígono que forman las patas apoyadas en el suelo. Juntando los puntos fuertes de cada uno de los sistemas de tracción, de los convencionales su simplicidad mecánica y de los sistemas con patas su capacidad de navegar por cualquier tipo de terreno, surgió una nueva familia de robots denominada Clegs. El primer robot de esta familia fue desarrollado en el año 2001 e involucró a un total de catorce universidades de Norteamérica bajo un programa financiado por el DARPA. Sin embargo, a pesar del éxito en el desarrollo de esta plataforma, no hay muchos desarrollos actuales que sigan esta línea de investigación. Durante esta tesis se ha realizado un estudio de las tareas de búsqueda y rescate donde han intervenido diversos tipos de robots terrestres, aunque en la gran mayoría de los casos, con sistemas de tracción convencionales. Analizando el número de éxitos y fracasos, y los motivos por los que no se cumplían los objetivos de las misiones, se decidió investigar en la línea de emplear un robot de C-Legs para tareas de búsqueda y rescate, ya que su pequeño tamaño y la destreza que le otorgan sus patas generan expectativas de que se pueda incrementar el ratio de éxito de los robots terrestres en la tareas de búsqueda y rescate. Para ello, esta tesis comienza analizando las distintas plataformas que se han desarrollado hasta el momento con el fin de desarrollar una nueva que tenga como premisas, la replicabilidad, una fabricación sencilla, gran resistencia a los impactos y, por supuesto, la capacidad de superar obstáculos como pueden ser escalones. Una vez su diseño se ha validado y se ha construido el robot, se dispuso a analizar sus capacidades de desplazamiento, para ello se analizó el método que utilizan los robots hexápodos para caminar, inspirado principalmente en las cucarachas y escarabajos y que se denomina trípode alterno. Primeramente, se desarrolló en Matlab un modelo novedoso basado en SLIP, denominado BSLIP Pasivo, que es capaz de encontrar el rango óptimo de trabajo para las distintas configuraciones que pueden tener las patas. Posteriormente, se implementó el algoritmo de trípode alterno en una máquina de estados en Simulink y para validar la marcha, se desarrolló un modelo dinámico del robot en MSC Adams con la particularidad de que las patas fueron modeladas con elementos finitos, para poder reproducir fielmente el comportamiento elástico de las mismas. Tras el análisis de los resultados de las simulaciones, se procedió a efectuar las mismas pruebas sobre la plataforma real, denominada CLHeRo (C-Leg Hexapod Robot) y para poder obtener mediciones del comportamiento del robot también se realizó el desarrollo de un banco de pruebas para robots terrestres móviles. Otro de los objetivos abordados en esta tesis ha sido el desarrollo de un entorno, tanto para el control como para la programación, de un robot C-legs bajo el entorno de ROS y denominado ClegS. El sistema de control basa su funcionamiento en dos nodos: la interfaz de modos de marcha se encarga de gestionar el modo de marcha activo y permitir el paso de parámetros de movimiento a cada uno de los modos registrados y, por otro lado, la interfaz de comandos filtra los mensajes y peticiones del sistema para que únicamente se publiquen las del modo activo. Por su parte, la programación de los modos de marcha se puede realizar con la librería Clhero_robot, que ayuda a reducir los tiempos de programación y la legibilidad y comprensión del código. Una de las aportaciones más importante de esta tesis es el desarrollo de un novedoso algoritmo para la odometría basándose en la cinemática de robots móviles y la cinemática particular de las patas del CLHeRo. Una vez planteado el modelo se implemento como nodo de ROS y se procedió a su validación mediante una serie de pruebas tanto en interior como en exterior. Posteriormente se dotó de capacidad de teleoperación al CLHeRo. Se desarrollaorn dos métodos de teleoperación: por terminal y con mando. Por último se aplicó todo el sistema desarrollado hasta el momento para dotar al CLHeRo de capacidad para realizar localization y mapeado simultaneo (SLAM). Para esto fue necesario instalar un láser 2D y recurrir al paquete estándar de ROS para esta función, gmmaping.

Funding Projects

TypeCodeAcronymLeaderTitle
Government of SpainDPI2014-56985-RPRICUnspecifiedProtección Robotizada de Infraestructuras Críticas
Madrid Regional GovernmentS2018/NMT-4331RoboCity2030-DIH-CMUnspecifiedUnspecified
Government of SpainPID2019-105808RBI00TASARUnspecifiedTeam of Advanced Search And Rescue Robots

More information

Item ID: 66991
DC Identifier: http://oa.upm.es/66991/
OAI Identifier: oai:oa.upm.es:66991
DOI: 10.20868/UPM.thesis.66991
Deposited by: Archivo Digital UPM 2
Deposited on: 08 May 2021 14:45
Last Modified: 08 May 2021 14:45
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