Tesis:
Study of Compliant Trunk-Leg System for Legged Robot
- Autor: PARRA RICAURTE, Edgard Andrés
- Título: Study of Compliant Trunk-Leg System for Legged Robot
- Fecha: 2024
- Materia:
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRICA Y ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico: https://oa.upm.es/79812/
- Director/a 1º: ROSSI, Claudio
- Director/a 2º: DOMÍNGUEZ CABRERIZO, Sergio
- Resumen: En los últimos años, la robótica móvil ha sido un área de investigación muy importante. Gracias a sus avances, este tipo de robots pueden moverse en entornos peligrosos para el ser humano y ser capaces de realizar tareas complejas de forma autónoma o semiautónoma, tales como: vigilancia, asistencia, servicios, transporte de materias primas y personas de forma segura, entre otras. Pero a pesar de los grandes avancen en el desarrollo tecnológico e investigación, la eficiencia energética sigue siendo una característica importante para mejorar.
Actualmente, se pueden encontrar tres tipos de robots móviles, que dependiendo del entorno en el que se desplace, estos pueden ser aéreos, acuáticos y terrestres. Entre los robots terrestres más representativos se encuentran los que se desplazan mediante ruedas y los basados en locomoción por patas. Los robots con ruedas han tenido una gran relevancia, debido a su diseño simple y fácil desarrollo, pero tienen la desventaja que su movilidad es muy limitada y son utilizados, por lo general, en terrenos planos o estructurados. Por su parte, los robots basados en locomoción por patas utilizan extremidades mecánicas, inspirados en los animales, insectos o seres humanos, lo que les permite ser más versátiles que los robots con ruedas, siendo capaces de moverse en entornos complejos y realizar tareas difíciles. Pero lograr imitar o emular lo que ha logrado la naturaleza durante millones de años de evolución es complicado, además de ser tecnológicamente retador. Uno de los grandes avances en la investigación de robots con patas fue el modelo del péndulo invertido con muelle SLIP (por si siglas en inglés), el cual permite describir la marcha con una masa puntual que rebota sobre patas elásticas. Este modelo capta la dinámica del centro de masa observada en animales que corren y se ha convertido en una plantilla básica de la marcha en biomecánica y robótica. Igualmente se han tenido grandes avances en los sistemas de actuación, un ejemplo es el actuador SEA (por sus siglas en inglés), la cual introduce un elemento elástico entre el actuador del motor y la carga. Este elemento elástico confiere al SEA tolerancia a las cargas de impacto, baja impedancia mecánica de salida, almacenamiento pasivo de energía mecánica y mayor pico de potencia de salida. Sin embargo, a pesar de los grandes avances en el desarrollo tecnológico y la investigación que han tenido los robots con patas, la eficiencia energética sigue siendo una característica importante que debe mejorarse.
Con el propósito de mejorar la eficiencia energética en los robots con patas se planteó investigar qué factores podrían hacerlo. Investigaciones han mostrado que el tronco flexible en los animales cuadrúpedos permite que estos logren grandes velocidades y que, gracias a los tejidos, como los músculos, tendones, huesos y cartílago, estos pueden acumular y devolver parte de la energía que utilizan en el correr, y de esta forma efectuar el movimiento de galope. Para ilustrar los galopes más rápidos sobre la tierra, se seleccionaron los dos animales que ejemplifican este movimiento de manera destacada, que son el guepardo y el caballo. Básicamente flexionan sus troncos al momento de realizar el galope, permitiendo que alcancen velocidades altas. Pero, en el caso del guepardo, el galope lo logra mantener por poco tiempo.
Por lo tanto, siendo el tronco la estructura principal y que soportar grandes flexiones, ayudando en el movimiento de galope a estos animales, y logrando que alcancen altas velocidades, se decidió investigar cómo un robot con patas podría mejorar su eficiencia energética gracias a un tronco flexible, planteándose la pregunta: .Podría la marcha de los robots cuadrúpedos ser eficiente energéticamente utilizando una estructura de tronco flexible y reproduzcan la dinámica del tronco de los animales cuadrúpedos?.
Para conseguir una marcha eficiente desde el punto de vista energético, se ha supuesto que el tronco es un elemento elástico pasivo, y que son los movimientos de las patas delanteras y traseras las que provocan la flexión del tronco. Esto condujo a la siguiente hipótesis de trabajo: ‘’Un tronco flexible pasivo en robots con patas, adecuadamente conducido a la oscilación de galope por el movimiento coordinado de sus piernas, mejora la eficiencia energética de la marcha”. Esta hipótesis plantó la posibilidad de no tener actuadores que flexionen el tronco y abrió la opción de tener un tronco pasivo flexible, en donde este pueda flexionarse por medio de las patas del robot, logrando tener una coordinación de movimiento entre los dos. Con lo que conllevo a la siguiente hipótesis de trabajo: ”Un tronco flexible pasivo llevado a una frecuencia cuasi-resonante, mejora la eficiencia energética de la marcha”.
Para abordar dichas hipótesis de trabajo, se estudió y modelizó la dinámica del tronco mediante viga flexible en voladizo, con masas añadidas en sus extremos, como si fueran estas últimas las masas de las patas delanteras y traseras, y de esta forma se pudo conocer los efectos de llevarlo el tronco a una frecuencia de oscilación cuasi-resonantes, demostrando que es posible mejorar la eficiencia energética, reduciendo casi a la mitad la energía que se consume en relación con la energía que acumula el tronco y de vuelve en trabajo. Al ser el tronco flexible pasivo se estudió y se diseñó un nuevo modelo de pata MMS (por si siglas en inglés). Esto demostró que al tener en cuenta la masa de la pata, ayuda a generar los pares que generan el momento flector en el tronco. Teniendo en cuenta los estudios anteriores se desarrolló la dinámica del sistema tronco+pata, la cual ayudó a comprender las grandes flexiones a la que está sometido el tronco, igualmente se pudo comprobando que la ecuación de movimiento es no lineal y que este es un sistema subactuando. Posteriormente, para comprobar la eficiencia energética, se llevaron a cabo una serie de experimentos que demostraron la eficiencia del método propuesto. Al ser un sistema complicado para desarrollar un sistema de control, debido a sus características, sistema no lineal y subactuado, se realizó un estudio utilizando el método de la función descriptiva, que permitió analizar el comportamiento del sistema ante una entrada sinusoidal con amplitud y frecuencia dadas, generando un ciclo límite, que sirve de base para definir un método de control del galope. Finalmente, se analizó la eficiencia energética por medio del criterio de Costo de Transporte (CoT), el cual demostró ser más eficiente cuando la oscilación del movimiento se realizaba a la frecuencia cuasi-resonante, con valores entre 0.25 y 0.1. Para conocer la energía que consume el sistema, que acumula el tronco y se transforma en movimiento, se propuso una ecuación de relación energética. Esta ecuación permitió demostrar que el sistema consume menos energía al tener un tronco flexible, y que se puede aprovechar a un más al realizar el movimiento de oscilación a la frecuencia cuasi-resonante, haciendo evidente que la energía que acumula y se transforma en trabajo es, en algunos casos, el doble de la energía que consume, por lo tanto una mejor sustancial en la eficiencia energética.
Concluyendo que es posible mejorar la eficiencia energética en los robots con patas, al tener un tronco flexible pasivo, especialmente cuando el movimiento de oscila es a la frecuencia cuasi resonante del sistema. Además, mediante el modelo de pierna propuesto, que tiene en cuenta la masa de la pata, fue posible disponer de un momento de flexión que ayuda a flexionar el tronco pasivo.
ABSTRACT
In recent years, mobile robotics has been a very important area of research. Thanks to its advances, this type of robot can move in dangerous environments for humans and be able to perform complex tasks autonomously or semi-autonomously, such as surveillance, assistance, services, transportation of raw materials and people safely, among others. However, despite the great advances in research and technological development, energy efficiency is still an important feature to improve.
Currently, three types of mobile robot can be found, depending on the environment in which they move, these can be aerial, aquatic, and land robots. Among the most representative land-based mobile robots are those that move on wheels and those based on legged locomotion. Wheeled robots have had great relevance, due to their simple design and easy development, but they have the disadvantage that their mobility is very limited and they are generally used in flat or structured terrains.
On the other hand, robots based on legged locomotion use mechanical limbs inspired by animals, insects, or humans, which allows them to be more versatile than wheeled robots, able to move in complex environments and perform difficult tasks. However, to mimic or emulate what nature has achieved over millions of years of evolution is complicated, as well as technologically challenging. One of the breakthroughs in legged robot research was the SLIP (spring-loaded inverted pendulum) model, which describes walking as a point mass bouncing on elastic legs. This model captures the center-of-mass dynamics observed in running animals and has become a basic gait template in biomechanics and robotics. Similarly, there have been great advances in actuation systems. An example is the SEA actuator (for its acronym in English), which introduces an elastic element between the motor actuator and the load. This elastic element gives the SEA tolerance to impact loads, low mechanical output impedance, passive storage of mechanical energy, and higher peak output power. However, despite the great strides in technological development and research that legged robots have made, energy efficiency remains an important characteristic that needs to be improved.
With the purpose of enhancing energy efficiency in legged robots, it was proposed to investigate which factors could achieve this. Research has shown that the flexible trunk in quadruped animals enables them to attain high speeds and, thanks to tissues like muscles, tendons, bones, and cartilage, they can store and return a portion of the energy used during running, thus facilitating the galloping motion. To exemplify the fastest gallops on land, two animals were selected that prominently showcase this movement, namely the cheetah and the horse. Essentially, they flex their trunks when performing the gallop, enabling them to reach high speeds. However, in the case of the cheetah, it can only sustain the gallop for a short period.
Since the trunk is the main structure involved in allowing animals to reach high speeds, it was decided to investigate how a legged robot could improve its energy efficiency thanks to a flexible trunk. The following question was posed: Is it possible to obtain energy efficient gaits in quadruped robots equipped with flexible bodies and reproduce the dynamics of the trunk of the quadrupeds? To achieve an energy-efficient gait, it has been assumed that the trunk is a passive elastic element, and it is the movements of the fore and hind legs that cause trunk flexion. This led to the following work hypothesis: A passive flexible trunk in legged robots, suitably driven to oscillation by the coordinated motion of their legs, improves the energy efficiency of the gait. This hypothesis raised a secondary work hypothesis: An oscillating passive flexible trunk brought to a quasi-resonant frequency, improves even further the energy efficiency of the gait.
To address these work hypotheses, the dynamics of the trunk was modeled using a flexible cantilever beam, with masses added at its ends representing the masses of the fore and rear legs. In this way it was possible to study the effects of driving the trunk to a quasi-resonant oscillation frequency, demonstrating that it is possible to improve energy efficiency, reducing the energy consumed by almost half in relation to the energy that the trunk accumulates and transforms back to work. Since the trunk is passive, a new MMS leg model (for its acronym in English) was designed and studied. This showed that taking into account the mass of the leg helps generating the moments that cause the bending moment in the trunk. Then, the dynamics of the trunk+leg system was developed, which helped to understand the large deflexions to which the trunk is subject. It was also found that the equation of motion is nonlinear and that this is an underactuated system. Subsequently, to verify the energy efficiency, a series of experiments were carried out that demonstrated the efficiency of the proposed method. Being a system that is complicated to develop a control system, due to its characteristics, nonlinear equation of motion and underactuated system, a study was carried out using the describing function method, which allowed one to analyze the behavior of the system to a sinusoidal input with given amplitude and frequency, generating a limit cycle, which serves as a basis for defining a method of canter control. Finally, the energy efficiency was analyzed by means of the Cost of Transport (CoT) criterion, which proved to be more efficient when the oscillation of the motion was performed at the quasi-resonant frequency, with values between 0.25 and 0.1. To know the energy consumed by the system, accumulated by the trunk and transformed into movement, an energy ratio equation was proposed. This equation made it possible to demonstrate that the system consumes less energy by having a flexible trunk, and this can be further exploited by performing the gait motion at quasi-resonant oscillation frequency, making it evident that the energy accumulated and transformed into work is, in some cases, double the energy consumed, which represents a substantial improvement in energy efficiency.
Concluding that it is possible to improve energy efficiency in legged robots by having a passive flexible trunk, especially when the oscillating motion is at the quasi-resonant frequency of the system. Furthermore, by using the proposed leg model, which takes into account the mass of the leg, it was possible to have a bending moment that helps to flex the passive trunk.