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Tesis:

Desarrollo de topología de estados de control basados en el paradigma GEMMA aplicada a robots cuadrúpedos submarinos

  • Autor: PÉREZ BAYAS, Miguel Ángel

  • Título: Desarrollo de topología de estados de control basados en el paradigma GEMMA aplicada a robots cuadrúpedos submarinos

  • Fecha: 2023

  • Materia:

  • Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES

  • Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL

  • Acceso electrónico: https://oa.upm.es/72818/

  • Director/a 1º: SALTAREN PAZMIÑO, Roque Jacinto

  • Resumen: La exploración subacuática es realizada principalmente por dos tipos de dispositivos: los vehículos operados remotamente ROVs y los vehículos subacuáticos autónomos, AUVs, los cuales requieren un gran despliegue de infraestructura para su navegación y desplazamiento. Con el avance tecnológico han sido desarrolladas nuevas tecnologías enfocadas en nuevas formas de desplazamiento para la exploración, como la caminata, y en donde la biomecánica subacuática ha sido analizada para poder ser replicada en su locomoción. Los robots hexápodos han sido desarrollados a partir de la semejanza que presentan con los crustáceos y la estabilidad que presentan durante la marcha en el fondo subacuático; estos sistemas poseen extremidades con determinada disposición y características específicas y que en términos de hardware e instrumentación requeridos para el movimiento y control de todas sus extremidades, pueden ser muy costosos. Siguiendo la reciente evolución de los robots cuadrúpedos terrestres, de la reducción de los costes del hardware, el aumento de las capacidades de cómputo/comunicación, y el desarrollo de nuevos y eficientes actuadores, esta tecnología ha sido ampliamente desarrollada y divulgada, y sus capacidades pueden ser explotadas e innovadas en la creación de un sistema robótico cuadrúpedo-caminante para la exploración subacuática, con menores costes y mejores características que un sistema hexápodo al disminuir sus extremidades. Un reto sería entonces, conseguir la estabilidad del robot durante la marcha y durante los movimientos que pueda realizar en el entorno subacuático, en donde se presentan tres situaciones a resolver: las fuerzas y torques hidrodinámicos, la influencia del suelo subacuático sobre el movimiento del robot y los pares requeridos en las articulaciones para lograr una marcha normal. Además, se debe definir la estrategia para controlar el tipo de movimiento que realizará el sistema, atendiendo la biología cuadrúpeda propuesta. Este trabajo muestra el desarrollo e implementación de un robot cuadrúpedo caminante, diseñado bajo estos tres requerimientos, implementados en una estrategia de control de los estados de movimiento. En el Capítulo 2 se hace una revisión de la literatura especializada en los tópicos antes mencionados para determinar la geometría y las características que debe poseer el robot. En el Capítulo 3 se muestra el modelo CAD del robot y su verificación estructural a carga estática, y luego el cálculo cinemático requerido para la implementación de los estados de movimiento. El Capítulo 4 muestra el modelado hidrodinámico y los resultados del torque que se requiere para vencer estos fenómenos, mediante una simulación CFD en un entorno subacuático específico. El Capítulo 5 muestra un modelo multicuerpo del suelo y de la marcha subacuática usando las herramientas de software especializadas, para determinar los torque en cada articulación activa del robot. El Capítulo 6 presenta el prototipo de robot construido, la arquitectura de hardware y software usados para su implementación, y los resultados de posición angular obtenidos durante la marcha. En el Capítulo 7 se muestra el planteamiento del control basado en la definición de la estructura de control motora en el sistema nervioso de los animales vertebrados, su relación con las arquitecturas de hardware y software, mediante una topología de estados, organizados mediante una Máquina de Estados finita que cumple con los requerimientos estandarizados de un Grafcet y de un modelo GEMMA para su implementación formal. El trabajo termina en el Capítulo 8, presentando las conclusiones y futuros trabajos que pueden ser desarrollados. Al final, esta investigación es una real muestra de la implementación de un sistema robótico que puede mejorarse y servir como plataforma base para el desarrollo de futuras implementaciones en el campo de la exploración subacuática. ABSTRACT Underwater exploration is performed mainly by two types of devices: remotely operated vehicles ROVs and autonomous underwater vehicles, AUVs, which require a large deployment of infrastructure for navigation and movement. With technological progress, new technologies have been developed focused on new forms of displacement for exploration, such as walking, and where underwater biomechanics have been analyzed in order to be replicated in their locomotion. Hexapod robots have been developed based on their similarity to crustaceans and the stability they present during walking on the underwater bottom; these systems have limbs with certain disposition and specific characteristics, and in terms of hardware and instrumentation required for the movement and control of all their limbs, they can be very expensive. In accordance with the recent evolution of terrestrial quadruped robots, the reduction of hardware costs, the increase of computing/communication capabilities, and the development of new and efficient actuators, this technology has been widely developed and disseminated, and its capacities can be exploited and innovated in the creation of a quadruped-walking robotic system for underwater exploration, with lower costs and better characteristics than a hexapod system by reducing its limbs. A challenge would then be to achieve the stability of the robot during walking and during the movements that it can perform in the underwater environment, where there are three situations to solve: the hydrodynamic forces and torques, the influence of the underwater floor on the movement of the robot and the torques required in the joints to achieve a normal gait. In addition, the strategy to control the type of movement to be performed by the system must be defined, taking into account the proposed quadruped biology. This work shows the development and implementation of a quadruped walking robot, designed under these three requirements, implemented in a control strategy of the motion states. In Chapter 2, a review of the literature specialized in the above-mentioned topics is made to determine the geometry and the characteristics that the robot must have. Chapter 3 shows the CAD model of the robot and its structural verification under static load, and then the kinematic calculation required to implement the motion states. Chapter 4 shows the hydrodynamic modelling and the results of the torque needed to overcome these phenomena using a CFD simulation in a specific underwater environment. Chapter 5 offers a multi-body model of the floor and underwater gait using specialized software tools to determine the torque at each active joint of the robot. Chapter 6 presents the prototype robot built, the hardware and software architecture used for its implementation, and the angular position results obtained during the gait. Chapter 7 shows the control approach based on the definition of the motor control structure in the nervous system of vertebrate animals, its relationship with the hardware and software architectures through a topology of states, organized employing a finite State Machine that meets the standardized requirements of a Grafcet and a GEMMA model for its formal implementation. The work ends in Chapter 8, presenting conclusions and future work that can be developed. In the end, this research is an actual sample implementation of a robotic system that can be improved and serve as a base platform for the development of future deployments in the field of underwater exploration.