Analysis and optimization for a hexapod walking robot for planetary missions

La tecnología de las máquinas móviles autónomas ha sido objeto de una gran investigación y desarrollo en las últimas décadas. En muchas actividades y entornos, los robots pueden realizar operaciones que son duras, peligrosas o simplemente imposibles para los humanos. La exploración planetaria es un buen ejemplo de un entorno donde los robots son necesarios para realizar las tareas requeridas por los científicos. La reciente exploración de Marte con robots autónomos nos ha mostrado la capacidad de las nuevas tecnologías. Desde la invención de la rueda, que esta acertadamente considerado como el mayor invento en la historia del transporte humano, casi todos los vehículos para exploración planetaria han empleado las ruedas para su desplazamiento. Las nuevas misiones planetarias demandan maquinas cada vez mas complejas. En esta Tesis se propone un nuevo diseño de un robot con patas o maquina andante que ofrecerá claras ventajas en entornos extremos. Se demostrara que puede desplazarse en los terrenos donde los robots con ruedas son ineficientes, convirtiéndolo en una elección perfecta para misiones planetarias. Se presenta una reseña histórica de los principales misiones espaciales, en particular aquellos dirigidos a la exploración planetaria. A través de este estudio será posible analizar las desventajas de los robots con ruedas utilizados en misiones anteriores. El diseño propuesto de robot con patas será presentado como una alternativa para aquellas misiones donde los robots con ruedas puedan no ser la mejor opción. En esta tesis se presenta el diseño mecánico de un robot de seis patas capaz de soportar las grandes fuerzas y momentos derivadas del movimiento de avance. Una vez concluido el diseño mecánico es necesario realizar un análisis que permita entender el movimiento y comportamiento de una maquina de esta complejidad. Las ecuaciones de movimiento del robot serán validadas por dos métodos: cinemático y dinámico. Dos códigos Matlab® han sido desarrollados para resolver dichos sistemas de ecuaciones y han sido verificados por un tercer método, un modelo de elementos finitos, que también verifica el diseño mecánico. El robot con patas presentado, ha sido diseñado para la exploración planetaria en Marte. El comportamiento del robot durante sus desplazamientos será probado mediante un código de Matlab®, desarrollado para esta tesis, que permite modificar las trayectorias, el tipo de terreno, y el número y altura de los obstáculos. Estos terrenos y requisitos iniciales no han sido elegidos de forma aleatoria, si no que están basados en mi experiencia como miembro del equipo de MSL-NASA que opera un instrumento a bordo del rover Curiosity en Marte. El robot con patas desarrollado y fabricado por el Centro de Astrobiología (INTA-CSIC), esta basado en el diseño mecánico y análisis presentados en esta tesis. ABSTRACT The autonomous machines technology has undergone a major research and development during the last decades. In many activities and environments, robots can perform operations that are tought, dangerous or simply imposible to humans. Planetary exploration is a good example of such environment where robots are needed to perform the tasks required by the scientits. Recent Mars exploration based on autonomous vehicles has shown us the capacity of the new technologies. From the invention of the wheel, which is rightly regarded as the greatest invention in the history of human transportation, nearly all-planetary vehicles are based in wheeled locomotion, but new missions demand new types of machines due to the complex tasks needed to be performed. It will be proposed in this thesis a new design of a legged robot or walking machine, which may offer clear advantages in tough environments. This Thesis will show that the proposed walking machine can travel, were terrain difficulties make wheeled vehicles ineffective, making it a perfect choice for planetary mission. A historical background of the main space missions, in particular those aimed at planetary exploration will be presented. From this study the disadvantages found in the existing wheel rovers will be analysed. The legged robot designed will be introduced as an alternative were wheeled rovers could be no longer the best option for planetary exploration. This thesis introduces the mechanical design of a six-leg robot capable of withstanding high forces and moments due to the walking motion. Once the mechanical design is concluded, and in order to analyse a machine of this complexity an understanding of its movement and behaviour is mandatory. This movement equation will be validated by two methods: kinematics and dynamics. Two Matlab® codes have been developed to solve the systems of equations and validated by a third method, a finite element model, which also verifies the mechanical design. The legged robot presented has been designed for a Mars planetary exploration. The movement behaviour of the robot will be tested in a Matlab® code developed that allows to modify the trajectories, the type of terrain, number and height of obstacles. These terrains and initial requirements have not been chosen randomly, those are based on my experience as a member of the MSL NASA team, which operates an instrument on-board of the Curiosity rover in Mars. The walking robot developed and manufactured by the Center of Astrobiology (CAB) is based in the mechanical design and analysis that will be presented in this thesis.

Sonic anemometry of planetary atmospheres

The application of a recently developed model of sonic anemometers measuring process has revealed that these sensors cannot be considered as absolute ones when measuring spectral characteristics of turbulent wind speed since it is demonstrated that the ratios of measured to real spectral density functions depend on the composition and temperature of the considered planetary atmosphere. The new model of the measuring process of sonic anemometers is applied to describe the measuring characteristics of these sensors as fluid/flow dependent (against the traditional hypothesis of fluid/flow independence) and hence dependent on the considered planetary atmosphere. The influence of fluid and flow characteristics (quantified via the Mach number of the flow) and the influence of the design parameters of sonic anemometers (mainly represented by time delay between pulses shots and geometry) on turbulence measurement are quantified for the atmospheres of Mars, Jupiter, and Earth. Important differences between the behavior of these sensors for the same averaged wind speed in the three considered atmospheres are detected in terms of characteristics of turbulence measurement as well as in terms of optimum values of anemometer design parameters for application on the different considered planetary atmospheres. These differences cannot be detected by traditional models of sonic anemometer measuring process based on line averaging along the sonic acoustic paths.

Single Point Gradiometer for Planetary Applications

We have designed and fabricated a microelectromechanical device, based on the alternating field gradient concept, to measure surface magnetic field gradient on planets. Its sensitivity is 4 10-4 T/m, which is appropriate for magnetite outcrops and areas with rocks formed at different stages recording geomagnetic field reversals. We present the results obtained with three different prototypes.

Determinación del riesgo de incendio en una instalación de secado de alperujo = Determination of the risk of fire in an olive-oil mill waste dryer

For the energy valorization of alperujo, residue of the olive oil two phases extraction process, it is necessary to perform a drying process to reduce moisture content from over 60% to less than 10%. In order to reduce primary energy consumption and get an economic return, usually in this kind of drying facilities Gas Turbine CHP is used as a heat source. There have been recently in Spain some fires in this kind of GT-CHP facilities, which have caused high material losses. In some of these fires it has been suggested that the fire was caused by the output of incandescent alperujo in the flue gasesof the drying system. Therefore, the aim of this study is to determine experimentally and analytically under which operational conditions a process of alperujo self-ignition in the drying process can begin, and determine the actual fire hazard in this type of TG-CHP system. For analytical study, the temperature and initial composition of the combustion gases of the Gas Turbine at the entrance of the drying process was calculated and the gas equilibrium conditions reached in contact with the biomass were calculated and, therefore, the temperature of the biomass during the drying process. Moreover, the layer and dust ignition temperature of alperujo has been experimentally determined, according to EN 50281-2-1: 2000. With these results, the operating conditions of the drying process, in which there are real risk of auto-ignition of alperujo have been established.Para la valorización energética del alperujo, residuo del proceso de extracción en dos fases del aceite de oliva, es necesario realizar un proceso de secado para reducir su contenido de humedad de más del 60% al 10% m/m en b.h. Con el fin de reducir el consumo de energía primaria y obtener una rentabilidad económica, normalmente en este tipo de instalaciones de secado se usa la cogeneración con turbina de gas (TG) como fuente de calor. En España en los últimos años han ocurrido algunos casos de incendio en este tipo de instalaciones de cogeneración, que han supuesto pérdidas materiales muy elevadas. Por esta razón, el objetivo de este trabajo es determinar analítica y experimentalmente las condiciones operativas del secadero bajo las cuales podría comenzar un proceso de autoinflamación del alperujo y determinar el riesgo real de incendio en este tipo de instalaciones. Para el estudio analítico, se ha planteado y validado el modelo matemático que permite calcular la temperatura y la composición de los gases de combustión a la entrada y a la salida del secadero, en función de las curvas características de la TG, de las condiciones atmosféricas, del caudal y del grado de humedad de la biomasa tratada. El modelo permite además calcular la temperatura de bulbo húmedo, que es la máxima temperatura que podría alcanzar la biomasa durante el proceso de secado y determinar la cantidad de biomasa que se puede secar completamente en función del caudal y de las condiciones de entrada de los gases de combustión. Con estos resultados y la temperatura mínima de autoinflamación del alperujo determinada experimentalmente siguiendo la norma EN 50281- 2-1:2000, se demuestra que en un proceso de secado de alperujo en condiciones normales de operación no existe riesgo de autoencendido que pueda dar origen a un incendio.