Tesis:
Model-based control of a modular legged-and-climbing robotic organism with gravity compensation
- Autor: PRADOS SESMERO, Carlos
- Título: Model-based control of a modular legged-and-climbing robotic organism with gravity compensation
- 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/78292/
- Director/a 1º: GAMBAO GALÁN, Ernesto
- Director/a 2º: HERNANDO GUTIÉRREZ, Miguel
- Resumen: This dissertation started from an original interesting question, namely, how can technology contribute to the objective of inspecting and maintaining a variety of large infrastructures with a versatile robot that can access different environments. In the search for an answer to this question, this thesis analyzes the viability of using a modular legged and climbing robot and establishes the control basis and locomotion of a robot with a variable number of legs.
This involves the setting up of a robotic organism composed of modular legs for concept validation. This thesis includes the design of an organism body that includes the components required for communication with the modules and external devices for monitoring. Among other components, the body includes a central computer that computes the control. Besides, it serves as a joining point where the legs are placed. Following these guidelines, this dissertation includes a description of leg modules, body components, communication protocols, and messages exchanged. As a result, it includes a summary of the built ROMERIN robot.
The name ROMERIN comes from ”RObot Modular EscaladoR para la INspecci´on de infraestructuras”, which means modular climbing robot for infrastructure inspection in Spanish. The main goal of the robot is to achieve full modularity from a mechanical, electrical, power, and control point of view. The leg modules are designed to be completely autonomous basic units capable of moving and managing their own resources. They have adhesion capabilities due to independent vacuum generation and suction cups. They also have their own batteries, so that the robotic organism can modify its payload capacity by changing the number of legs, maintaining autonomy.
The initial step for the control has been the creation of a generic and novel control architecture for the control of multi-limbed robots with a variable number of legs. The architecture includes the basic low-level layers to control and coordinate all the elements to move the body and the high-level components to control the robot locomotion for its motion in the environment. The architecture is presented from a generic point of view with the basic elements and baptized with the name MoCLORA, which comes from Modular Climbing-and-Legged Robotic Organism Architecture. Since the number of legs of the organism and disposition can vary according to the application, the control architecture adapts easily to the robotic system. A specific implementation has also been included for the control of the ROMERIN robot with some peculiar components. The architecture can be improved by including new components to the high layers of the architecture in such a way that the system behavior can be improved.
The creation of a simulated environment has been included in the control architecture with the aim of having a tool for fast-testing of a variable robotic organism with a different number of legs. It allows us to validate the control architecture as well as the torque-based and locomotion control included later in the thesis. With the objective of simulating, testing, monitoring, and illustrating the organism, the simulated environment has been designed in three modalities: a tool for algorithm testing, a digital twin of the ROMERIN robot, and a digital mirror that mimics the behavior of the physical organism. Thanks to the architecture design, the simulated environment is easily interchangeable with the real robot.
As an original contribution of this thesis, a generalizable, low computational cost, simple, and fast gravity compensation method is presented for climbing robots with a variable number of legs. It is based on the static problem, which is a reduction of the dynamic model of the robot that takes advantage of the low velocity of climbing robots. To solve it, a method is presented that computes the torque to be applied by each actuator to compensate for the gravitational forces and end-effector forces. The forces exerted by the end-effector are related to the reaction forces that appear as a result of the interaction between the robot and the environment. These reaction forces are estimated using a force distribution problem solver (FDP) without the use of force/torque sensors, reducing the platform cost.
The proposed gravity compensation method is compared with the most popular method, which uses the Jacobian matrix for the forces exerted by the end-effector and analytical methods for the gravitational components of the model. It is concluded that the proposed method is twice as fast, improving the computational time, and being especially beneficial for sampling-based algorithms of motion planning. Using it, a torque-based PD controller is presented for the position and velocity control of the leg modules, which results in body velocity control without dynamic compensation. Furthermore, a preliminary state estimator is presented to determine the position of the robotic organism within the world.
Using the fast gravity compensation method, this thesis presents a sampling and modelbased original path planning. It includes a four-step process that ends with the best trajectory that avoids actuator overload and suction cups detachment, and ensures the load distribution between the modules. Similarly, an original footfall planner that optimizes the best position to step is presented. To do so, it uses logic very similar to that of the trajectory planner, but also maximizing the distance traveled. At the same time, it ensures that there are no collisions between modules during the leg trajectory.
Regarding the process of taking a step, the process of preparing for the swing phase and the leg trajectory itself is presented. The determination of which leg is better to change from the stance to the swing phase is carried out by the gait controller. The gait controller is responsible for determining the walk and climb sequence. It is presented as a reactive, non-predefined, and bio-inspired control that selects the most convenient leg to move according to a criterion.
The research presented in this thesis in the areas of hardware and control development finally culminates in a series of experiments with the modular robot ROMERIN and its digital twin. By combining the individual building blocks presented beforehand, the robot can perform reactive gaits, from static walking to climbing on varying inclinations. The experiments show how the torque-based control presented in this dissertation improves trajectory tracking by reducing position error. The gravity compensation method is tested and verified, as well as the PD control. The control has been tested in simulation, with ROMERIN, its digital twin, and with the commercial quadruped robot Unitree GO1. Lastly, the gait has been tested on the ground, in inclined walls, vertical walls, overhangs, and ceilings to verify all together the torque-based control method, path and footfall planning, gait controller, and swing phase generation.
To summarize, the main original contributions that can be found in this thesis are: the concept of a manually configured and homogeneous legged and climbing robotic organism with power-sharing capabilities is validated. To do so, the foundations for controlling the system are included in a novel modular control architecture with expandability specialized for the control of multi-limbed robots with a variable number of legs. The exchange between the physical robot and its digital twin in a transparent way presents a great opportunity for fast-testing thanks to the control architecture design. A generalizable, low computational cost, simple, and fast method of gravity compensation for climbing robots with a variable number of legs is presented and compared with the most popular one, being the proposed method twice as fast. Taking advantage of its low computational cost, a model-based path and footfall planning are designed for the optimization of actuators’ energy consumption, robot adhesion safety, payload distribution, and distance traveled. The gait is generated by a non-periodic, non-symmetric, and non-regular bio-inspired controller that selects the most convenient leg to move by ensuring the robot’s comfort and safety, and that the robot’s capabilities are enough during operation. All contributions have been tested and the results have been analyzed and validated with the physical robot ROMERIN, its digital twin, and other robot topologies.
RESUMEN
Esta tesis parte de una pregunta original y de interés, a saber, cómo puede contribuir la tecnología para la inspección y mantenimiento de una gran variedad de infraestructuras con un robot versátil que pueda acceder a diferentes entornos. En la búsqueda de una respuesta a esta pregunta, esta tesis analiza la viabilidad de utilizar un robot modular escalador con un número variable de pata, y establece las bases de control y locomoción del mismo.
La validación del concepto comienza por el desarrollo de un organismo robótico compuesto por patas modulares. Para ello, esta tesis incluye el diseño del cuerpo del organismo que incorpora los componentes necesarios para la comunicación con los módulos y dispositivos externos que lo monitorizan. Entre otros componentes, el cuerpo incluye un ordenador central que se encarga del control. Además, sirve como punto de unión donde se colocan las patas. Siguiendo estas pautas, esta tesis incluye una descripción de las patas modulares, los componentes del cuerpo, los protocolos de comunicación y los mensajes intercambiados. Como resultado, se incluye un resumen del robot ROMERIN construido.
El nombre ROMERIN proviene de ”RObot Modular EscaladoR para la INspección de infraestructuras”. El objetivo principal del robot es lograr plena modularidad desde un punto de vista mecánico, eléctrico, de energía y control. Las patas modulares están diseñados para ser unidades básicas completamente autónomas capaces de moverse y gestionar sus propios recursos. Tienen capacidades de adherencia mediante la generación de vacío independiente mediante una turbina situada dentro de las ventosas. También tienen sus propias baterías, de tal manera que el organismo robótico pueda modificar su capacidad de carga cambiando el número de patas, manteniendo la autonomía.
El paso inicial del control ha sido la creación de una arquitectura de control genérica y novedosa para el control de robots multipata cuyo número de extremidades es variable. La arquitectura incluye las capas básicas de bajo nivel para controlar y coordinar todos los elementos que mueven el cuerpo y los componentes de alto nivel para controlar la locomoción del robot en su entorno. La arquitectura se presenta desde un punto de vista genérico con los elementos básicos y se bautiza con el nombre MoCLORA, que proviene de Modular Climbing-and-Legged Robotic Organism Architecture. Dado que el número de patas del organismo y su disposición pueden variar según la aplicación, la arquitectura de control se adapta fácilmente al sistema robótico. También se ha incluido una implementación específica para el control del robot ROMERIN con algunos componentes peculiares. La arquitectura puede mejorarse, y por lo tanto el sistema robótico, mediante la agregación de nuevos componentes en las capas superiores de la arquitectura.
La tesis describe un entorno simulado que queda instanciado dentro de la arquitectura de control. El entorno se ha diseñado como una herramienta de prueba rápida para organismos robóticos de número de patas variable. Esto nos permite validar la arquitectura de control, así como el control basado en par y la locomoción incluidos posteriormente en la tesis. Con el objetivo de simular, probar, monitorear e ilustrar el organismo, la simulación se ha diseñado en tres modalidades: una herramienta para el testeo de algoritmos, un gemelo digital del robot ROMERIN y un espejo digital que imita el comportamiento del organismo físico. Gracias al diseño de la arquitectura, el entorno simulado es fácilmente intercambiable con el robot real.
Como contribución original de esta tesis, se presenta un método de compensación de gravedad generalizable, de bajo coste computacional, simple y rápido para robots escaladores de un número variable de patas. Se basa en el modelo estático del sistema, que es una reducción del modelo dinámico del robot aprovechando la baja velocidad de este tipo de robots. Para resolverlo, se presenta un método que calcula el par que debe aplicar cada actuador para compensar las fuerzas gravitatorias y las fuerzas del efector final. Las fuerzas ejercidas por el efector final están relacionadas con las fuerzas de reacción que aparecen como resultado de la interacción entre el robot y el entorno. Estas fuerzas de reacción se estiman resolviendo el problema de distribución de fuerzas (FDP, del inglés ”force distribution problem”) sin el uso de sensores de fuerza/par, lo que reduce el coste de la plataforma considerablemente.
El método de compensación de gravedad propuesto se compara con el método más popular, que utiliza la matriz Jacobiana para las fuerzas ejercidas por el efector final y métodos analíticos para los componentes gravitatorios del modelo. Se concluye que el método propuesto es el doble de rápido, mejorando el tiempo de computo y siendo especialmente beneficioso para algoritmos de planificación de movimiento basados en muestreo. Haciendo uso del compensador de gravedad, se presenta un controlador PD basado en par para el control de posición y velocidad de las patas modulares, lo que resulta en un control de velocidad del cuerpo sin compensación dinámica. Además, se presenta un estimador de estado preliminar para determinar la posición del organismo robótico en el mundo.
Utilizando el método de compensación de gravedad de bajo coste computacional, esta tesis presenta un planificador de trayectorias original (”path planner”) basado en muestreo y en modelo. Incluye un proceso de cuatro pasos que culmina con la mejor trayectoria que evita la sobrecarga de actuadores, el despegue de las ventosas y garantiza la distribución de carga entre los módulos. De manera similar, se presenta un planificador de puntos de apoyo original (”footfall planner”) que optimiza la mejor posición para dar un paso. Para hacerlo, utiliza una lógica muy similar a la del planificador de trayectoria, pero también maximiza la distancia recorrida. Al mismo tiempo, asegura que no haya colisiones entre los módulos durante la trayectoria de las patas.
En cuanto al proceso de dar un paso, esta tesis incluye la preparación para la fase de vuelo y la propia trayectoria de la pata durante dicha fase. La determinación de qué pata es mejor cambiar de la fase de apoyo a fase de vuelo la realiza el controlador de marcha (”gait controller”). El controlador de marcha es responsable de determinar la secuencia de caminar y trepar. Se presenta como un control reactivo, no predefinido y bioinspirado que selecciona la pata más conveniente para moverse según un criterio.
La investigación presentada en esta tesis en las áreas de desarrollo de hardware y control culmina finalmente en una serie de experimentos con el robot modular ROMERIN y su gemelo digital. Combinando los bloques individuales presentados anteriormente, el robot ha demostrado ser capaz de realizar marchas reactivas, desde caminar de manera estática hasta escalar en inclinaciones variables. Los experimentos muestran cómo el método de compensación de gravedad y el control PD basado en par mejora el seguimiento de la trayectoria al reducir el error de posición. El sistema de control se ha probado en simulación, con ROMERIN, su gemelo digital y con el robot cuadrúpedo comercial Unitree GO1. Por último, el sistema de locomoción se ha probado en el suelo, en paredes inclinadas, paredes verticales, desplomes y techos con el objetivo de verificar en conjunto el método de control basado en par, la planificación de trayectorias y puntos de apoyo, el controlador de marcha y la generación de la fase de vuelo.
En resumen, las principales contribuciones originales que se pueden encontrar en esta tesis son las siguientes: se valida el concepto de un organismo robótico con patas y capacidad de escalada configurado manualmente y homogéneo con capacidades de compartición de energía. Para hacerlo, se incluyen los fundamentos para controlar el sistema en una novedosa arquitectura de control modular con capacidad de expansión especializada para el control de robots multipata con un número variable de extremidades. El intercambio entre el robot físico y su gemelo digital de manera transparente presenta una gran oportunidad para pruebas rápidas por medio del diseño de la arquitectura de control que integra un sistema de simulación. Se presenta un método generalizable, de bajo coste computacional, simple y rápido de compensación de gravedad para robots escaladores con un número variable de patas y se compara con el más popular, siendo el método propuesto el doble de rápido. Aprovechando su bajo coste computacional, se diseña un planificador de trayectoria y de puntos de apoyo, ambos basados en modelo, para la optimización del consumo de energía de los actuadores, la seguridad en la adhesión del robot, la distribución de carga y la distancia recorrida. La marcha se genera mediante un controlador bioinspirado no periódico, no simétrico y no regular que selecciona la pata más conveniente para moverse garantizando el confort y la seguridad del robot, a la vez que asegura que las capacidades del robot sean suficientes durante la operación. Todas las contribuciones se han probado y los resultados se han analizado y validado con el robot físico ROMERIN, su gemelo digital y otras topologías de robot.