Músculos Inteligentes en Robots Biológicamente Inspirados: Modelado, Control y Actuación

Las aleaciones metálicas que exhiben una propiedad conocida como efecto de memoria de forma, pertenecen a la clase de materiales inteligentes cuya aplicación más notable en el campo de la robótica se refleja en el uso de actuadores musculares artificiales, ó músculos inteligentes. Estos materiales tienen una estructura cristalina uniforme que cambia radicalmente en función de su temperatura de transición, causando su deformación. Se les denomina materiales inteligentes por la capacidad de recordar su configuración inicial después de recibir dicho estímulo térmico. Este artículo presenta la implementación de un actuador muscular inteligente aplicado en un micro-robot aéreo bio-inspirado tipo murciélago. Esto mamíferos voladores desarrollaron poderosos músculos que se extienden a lo largo de la estructura ósea de las alas, adquiriendo una asombrosa capacidad de maniobra gracias a la capacidad de cambiar la forma del ala durante el vuelo. Replicar este tipo de alas mórficas en un prototipo robótico requiere el análisis de nuevas tecnologías de actuación, abordando los problemas de modelado y control que garanticen la aplicabilidad de este actuador compuesto por fibras musculares de SMAs

Control por modos deslizantes como estrategia de navegación en una flota de robots

En esta tesis se presenta el desarrollo de un esquema de cooperación entre vehículos terrestres (UGV) y aéreos (UAV) no tripulados, que sirve de base para conformar dos flotas de robots autónomos (denominadas FRACTAL y RoMA). Con el fin de comprobar, en diferentes escenarios y con diferente tareas, la validez de las estrategias de coordinación y cooperación propuestas en la tesis se utilizan los robots de la flota FRACTAL, que sirven como plataforma de prueba para tareas como el uso de vehículos aéreos y terrestres para apoyar labores de búsqueda y rescate en zonas de emergencia y la cooperación de una flota de robots para labores agrícolas. Se demuestra además, que el uso de la técnica de control no lineal conocida como Control por Modos Deslizantes puede ser aplicada no solo para conseguir la navegación autónoma individual de un robot aéreo o terrestre, sino también en tareas que requieren la navegación coordinada y sin colisiones de varios robots en un ambiente compartido. Para esto, se conceptualiza teóricamente el uso de la técnica de Control por Modos Deslizantes como estrategia de coordinación entre robots, extendiendo su aplicación a robots no-holonómicos en R2 y a robots aéreos en el espacio tridimensional. Después de dicha contextualización teórica, se analizan las condiciones necesarias para determinar la estabilidad del sistema multi-robot controlado y, finalmente, se comprueban las características de estabilidad y robustez ofrecidas por esta técnica de control. Tales comprobaciones se hacen simulando la navegación segura y eficiente de un grupo de UGVs para la detección de posibles riesgos ambientales, aprovechando la información aportada por un UAV. Para estas simulaciones se utilizan los modelos matemáticos de robots de la flota RoMA. Estas tareas coordinadas entre los robots se hacen posibles gracias a la efectividad, estabilidad y robustez de las estrategias de control que se desarrollan como núcleo fundamental de este trabajo de investigación. ABSTRACT This thesis presents the development of a cooperation scheme between unmanned ground (UGV) and aerial (UAV) vehicles. This scheme is the basis for forming two fleets of autonomous robots (called FRACTAL and RoMA). In order to assess, in different settings and on different tasks, the validity of the coordination and cooperation strategies proposed in the thesis, the FRACTAL fleet robots serves as a test bed for tasks like using coordinated aerial and ground vehicles to support search and rescue work in emergency scenarios or cooperation of a fleet of robots for agriculture. It is also shown that using the technique of nonlinear control known as Sliding Modes Control (SMC) can be applied not only for individual autonomous navigation of an aircraft or land robot, but also in tasks requiring the coordinated navigation of several robots, without collisions, in a shared environment. To this purpose, a strategy of coordination between robots using Sliding Mode Control technique is theoretically conceptualized, extending its application to non-holonomic robots in R2 and aerial robots in three-dimensional space. After this theoretical contextualization, the stability conditions of multi-robot system are analyzed, and finally, the stability and robustness characteristics are validated. Such validations are made with simulated experiments about the safe and efficient navigation of a group of UGV for the detection of possible environmental hazards, taking advantage of the information provided by a UAV. This simulations are made using mathematical models of RoMA fleet robots. These coordinated tasks of robots fleet are made possible thanks to the effectiveness, stability and robustness of the control strategies developed as core of this research.

Modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados.

En años recientes, se han realizado algunos esfuerzos para equipar a robots submarinos con impulsores vectorizados. Este sistema de propulsión permite el uso de una menor cantidad de impulsores, esto a su vez tiene consecuencias favorables en el volumen y costo del robot a medida que una mayor potencia de propulsión es requerida. El propósito de esta tesis es realizar un estudio sobre el modelado, control y diseño de robots submarinos de estructura paralela con impulsores vectorizados. De esta manera exponer los aspectos más importantes relativos a estos puntos, y proponer soluciones a los problemas que plantea la arquitectura de estos robots. En esta tesis se tomo como objeto de estudio el robot Remo 2, cuya estructura paralela representa una gran parte del volumen del robot y esto hace que su análisis sea el más complejo que se pueda tener en los robots de esta categoría. El diseño de este robot es un concepto radicalmente diferente al de los robots submarinos convencionales. Sus características son prometedoras, pero para poder sacar provecho de estas potencialidades es necesario un entendimiento de la dinámica del robot. En este trabajo se presenta el desarrollo y análisis de modelos analíticos, y el desarrollo de herramientas de simulación para este robot. El propósito de estas herramientas es identificar las oportunidades y restricciones impuestas por la estructura y la dinámica del vehículo. Se presenta el planteamiento (y solución) de los problemas cinemático y dinámico inverso para un robot submarino de estructura paralela. Por otro lado, se demostró por primera vez el funcionamiento del concepto del robot submarino a través de una herramienta de simulación. Haciendo uso de esta herramienta se exploro el desempeño del robot bajo diversos esquemas de control, se encontró que el robot es capaz de ejecutar con éxito diversas maniobras empleando controladores clásicos. Se presento un controlador basado en el modelo del robot y se demostró sus ventajas. Posteriormente se presento un apartado cuyo propósito es exponer aspectos importantes sobre el diseño de este tipo de robots, sobre todo aquellos que influyen en su desempeño cinetostático. Se plantea el problema del diseño óptimo de un robot tipo Remo 2, y se proponen un par de índices de desempeño globales. Otra contribución fue, en condición de coautoría, el diseño y análisis de una nueva estructura paralela la cual no ha sido considerada anteriormente en la literatura.

Control de Tracción en Robots Móviles con Ruedas

En este trabajo se presenta una solución para mejorar el rendimiento de los robots móviles con ruedas que se desplacen sobre superficies con un bajo coeficiente de fricción estática. En estas circunstancias, los robots móviles con ruedas pueden experimentar pérdidas de tracción, y por tanto, sufrir deslizamientos a lo largo de la superficie. La solución descrita propone la utilización de una configuración especial para el robot móvil, en la que todas las ruedas son accionadas de forma independiente, y una estructura de control que consta de tres partes bien diferenciadas: un controlador de seguimiento con realimentación de estado basado en el modelo cinemático del robot, una extensión de la ley de control cinemático resultante para incorporar la dinámica del robot móvil utilizando backstepping, y un algoritmo de distribución de la fuerza de tracción global, que calcula las señales de referencia adecuadas para cada una de las ruedas. Con esta estructura se consigue controlar la posición y la velocidad del robot móvil, y al mismo tiempo, distribuir la fuerza de tracción global entre las ruedas, evitando así el deslizamiento del robot. El funcionamiento de los algoritmos de control es evaluado mediante pruebas experimentales.

Impedance control for legged robots: an insight into the concepts involved

The application of impedance control strategies to modern legged locomotion is analyzed, paying special attention to the concepts behind its implementation which is not straightforward. In order to implement a functional impedance controller for a walking mechanism, the concepts of contact, impact, friction, and impedance have to be merged together. A literature review and a comprehensive analysis are presented compiling all these concepts along with a discussion on position-based versus force-based impedance control approaches, and a theoretical model of a robotic leg in contact with its environment is introduced. A theoretical control scheme for the legs of a general legged robot is also introduced, and some simulations results are presented.

Sistema de visión tridimensional recursivo utilizando múltiples vistas de una cámara para control servovisual de robots móviless

Este trabajo presenta un sistema de visión tridimensional utilizando múltiples vistas de una única cámara, para su utilización en el control servovisual de robots móviles. Mediante el sistema de visión propuesto se determinan las dimensiones físicas de un objeto en el espacio de trabajo del robot. Esto permite extender el uso de un controlador, previamente propuesto por los autores, para logar que un robot móvil se posicione respecto de un objeto de dimensiones desconocidas.

Adaptive fuzzy knowledge-based systems for control metabots' mobility on virtual environments

The confluence of three-dimensional (3D) virtual worlds with social networks imposes on software agents, in addition to conversational functions, the same behaviours as those common to human-driven avatars. In this paper, we explore the possibilities of the use of metabots (metaverse robots) with motion capabilities in complex virtual 3D worlds and we put forward a learning model based on the techniques used in evolutionary computation for optimizing the fuzzy controllers which will subsequently be used by metabots for moving around a virtual environment.

SMA-Based Muscle-Like Actuation in Biologically Inspired Robots: A State of the Art Review

New actuation technology in functional or "smart" materials has opened new horizons in robotics actuation systems. Materials such as piezo-electric fiber composites, electro-active polymers and shape memory alloys (SMA) are being investigated as promising alternatives to standard servomotor technology [52]. This paper focuses on the use of SMAs for building muscle-like actuators. SMAs are extremely cheap, easily available commercially and have the advantage of working at low voltages. The use of SMA provides a very interesting alternative to the mechanisms used by conventional actuators. SMAs allow to drastically reduce the size, weight and complexity of robotic systems. In fact, their large force-weight ratio, large life cycles, negligible volume, sensing capability and noise-free operation make possible the use of this technology for building a new class of actuation devices. Nonetheless, high power consumption and low bandwidth limit this technology for certain kind of applications. This presents a challenge that must be addressed from both materials and control perspectives in order to overcome these drawbacks. Here, the latter is tackled. It has been demonstrated that suitable control strategies and proper mechanical arrangements can dramatically improve on SMA performance, mostly in terms of actuation speed and limit cycles.

Aerial Remote Sensing in Agriculture: A Practical Approach to Area Coverage and Path Planning for Fleets of Mini Aerial Robots

In this paper, a system that allows applying precision agriculture techniques is described. The application is based on the deployment of a team of unmanned aerial vehicles that are able to take georeferenced pictures in order to create a full map by applying mosaicking procedures for postprocessing. The main contribution of this work is practical experimentation with an integrated tool. Contributions in different fields are also reported. Among them is a new one-phase automatic task partitioning manager, which is based on negotiation among the aerial vehicles, considering their state and capabilities. Once the individual tasks are assigned, an optimal path planning algorithm is in charge of determining the best path for each vehicle to follow. Also, a robust flight control based on the use of a control law that improves the maneuverability of the quadrotors has been designed. A set of field tests was performed in order to analyze all the capabilities of the system, from task negotiations to final performance. These experiments also allowed testing control robustness under different weather conditions.

Catadioptric panoramic stereovision for humanoid robots

This paper proposes a novel design of a reconfigurable humanoid robot head, based on biological likeness of human being so that the humanoid robot could agreeably interact with people in various everyday tasks. The proposed humanoid head has a modular and adaptive structural design and is equipped with three main components: frame, neck motion system and omnidirectional stereovision system modules. The omnidirectional stereovision system module being the last module, a motivating contribution with regard to other computer vision systems implemented in former humanoids, it opens new research possibilities for achieving human-like behaviour. A proposal for a real-time catadioptric stereovision system is presented, including stereo geometry for rectifying the system configuration and depth estimation. The methodology for an initial approach for visual servoing tasks is divided into two phases, first related to the robust detection of moving objects, their depth estimation and position calculation, and second the development of attention-based control strategies. Perception capabilities provided allow the extraction of 3D information from a wide range of visions from uncontrolled dynamic environments, and work results are illustrated through a number of experiments.

Combining series elastic actuation and magneto-rheological damping for the control of agile locomotion

All-terrain robot locomotion is an active topic of research. Search and rescue maneuvers and exploratory missions could benefit from robots with the abilities of real animals. However, technological barriers exist to ultimately achieving the actuation system, which is able to meet the exigent requirements of these robots. This paper describes the locomotioncontrol of a leg prototype, designed and developed to make a quadruped walk dynamically while exhibiting compliant interaction with the environment. The actuation system of the leg is based on the hybrid use of series elasticity and magneto-rheological dampers, which provide variable compliance for natural-looking motion and improved interaction with the ground. The locomotioncontrol architecture has been proposed to exploit natural leg dynamics in order to improve energy efficiency. Results show that the controller achieves a significant reduction in energy consumption during the leg swing phase thanks to the exploitation of inherent leg dynamics. Added to this, experiments with the real leg prototype show that the combined use of series elasticity and magneto-rheologicaldamping at the knee provide a 20 % reduction in the energy wasted in braking the knee during its extension in the leg stance phase.

Diseño, construcción y control de un robot doméstico para asistencia y entrenamiento de la movilidad

Esta tesis presenta el diseño conceptual, el análisis y la planificación de movimientos de un robot de asistencia domestica. El objetivo de este robot es ayudar a personas con problemas de movilidad, las cuales les impiden tener una vida independiente. Se realiza una investigación para identificar las principales necesidades de ayuda técnica y una revisión del estado del arte de robots de asistencia y rehabilitación. Esta información es empleada durante el proceso del diseño conceptual para establecer los objetivos del diseño identificar y las soluciones previamente propuestas. Posteriormente, se presenta la propuesta de un robot asistente para la marcha y el levantado de la posición de sentado, cuyo diseño permite al usuario realizar sus actividades de la vida diaria. Para evaluar diversos aspectos del concepto se desarrollo un prototipo a escala. Este prototipo fue útil para establecer la arquitectura de control del robot y probar el principio de funcionamiento de diversos elementos del concepto. Se propone la manera de controlar la ejecución de tareas y de navegación del robot, se simula y se analiza a través de las redes de Petri, se implementa y se prueba en el prototipo a escala. Se desarrollo el modelado dinámico y cinemático del robot. Se propone una relación entre la cinemática del movimiento de levantado normal de una persona y la cinemática del robot para generar las trayectorias a ejecutar por los actuadores. Mediante una herramienta de simulación se realizo un estudio de las fuerzas internas que se llevan a cabo en el usuario y en el robot durante la tarea de levantado. En este punto, se analizo la capacidad del robot para minimizar la fuerza que se ejerce en las articulaciones en la persona.

Distributed bees algorithm for task allocation in swarm of robots

In this paper, we propose the distributed bees algorithm (DBA) for task allocation in a swarm of robots. In the proposed scenario, task allocation consists in assigning the robots to the found targets in a 2-D arena. The expected distribution is obtained from the targets' qualities that are represented as scalar values. Decision-making mechanism is distributed and robots autonomously choose their assignments taking into account targets' qualities and distances. We tested the scalability of the proposed DBA algorithm in terms of number of robots and number of targets. For that, the experiments were performed in the simulator for various sets of parameters, including number of robots, number of targets, and targets' utilities. Control parameters inherent to DBA were tuned to test how they affect the final robot distribution. The simulation results show that by increasing the robot swarm size, the distribution error decreased.

Design and control of multi-finger haptic devices for dexterous manipulation

En la interacción con el entorno que nos rodea durante nuestra vida diaria (utilizar un cepillo de dientes, abrir puertas, utilizar el teléfono móvil, etc.) y en situaciones profesionales (intervenciones médicas, procesos de producción, etc.), típicamente realizamos manipulaciones avanzadas que incluyen la utilización de los dedos de ambas manos. De esta forma el desarrollo de métodos de interacción háptica multi-dedo dan lugar a interfaces hombre-máquina más naturales y realistas. No obstante, la mayoría de interfaces hápticas disponibles en el mercado están basadas en interacciones con un solo punto de contacto; esto puede ser suficiente para la exploración o palpación del entorno pero no permite la realización de tareas más avanzadas como agarres. En esta tesis, se investiga el diseño mecánico, control y aplicaciones de dispositivos hápticos modulares con capacidad de reflexión de fuerzas en los dedos índice, corazón y pulgar del usuario. El diseño mecánico de la interfaz diseñada, ha sido optimizado con funciones multi-objetivo para conseguir una baja inercia, un amplio espacio de trabajo, alta manipulabilidad y reflexión de fuerzas superiores a 3 N en el espacio de trabajo. El ancho de banda y la rigidez del dispositivo se han evaluado mediante simulación y experimentación real. Una de las áreas más importantes en el diseño de estos dispositivos es el efector final, ya que es la parte que está en contacto con el usuario. Durante este trabajo se ha diseñado un dedal de bajo peso, adaptable a diferentes usuarios que, mediante la incorporación de sensores de contacto, permite estimar fuerzas normales y tangenciales durante la interacción con entornos reales y virtuales. Para el diseño de la arquitectura de control, se estudiaron los principales requisitos para estos dispositivos. Entre estos, cabe destacar la adquisición, procesado e intercambio a través de internet de numerosas señales de control e instrumentación; la computación de equaciones matemáticas incluyendo la cinemática directa e inversa, jacobiana, algoritmos de detección de agarres, etc. Todos estos componentes deben calcularse en tiempo real garantizando una frecuencia mínima de 1 KHz. Además, se describen sistemas para manipulación de precisión virtual y remota; así como el diseño de un método denominado "desacoplo cinemático iterativo" para computar la cinemática inversa de robots y la comparación con otros métodos actuales. Para entender la importancia de la interacción multimodal, se ha llevado a cabo un estudio para comprobar qué estímulos sensoriales se correlacionan con tiempos de respuesta más rápidos y de mayor precisión. Estos experimentos se desarrollaron en colaboración con neurocientíficos del instituto Technion Israel Institute of Technology. Comparando los tiempos de respuesta en la interacción unimodal (auditiva, visual y háptica) con combinaciones bimodales y trimodales de los mismos, se demuestra que el movimiento sincronizado de los dedos para generar respuestas de agarre se basa principalmente en la percepción háptica. La ventaja en el tiempo de procesamiento de los estímulos hápticos, sugiere que los entornos virtuales que incluyen esta componente sensorial generan mejores contingencias motoras y mejoran la credibilidad de los eventos. Se concluye que, los sistemas que incluyen percepción háptica dotan a los usuarios de más tiempo en las etapas cognitivas para rellenar información de forma creativa y formar una experiencia más rica. Una aplicación interesante de los dispositivos hápticos es el diseño de nuevos simuladores que permitan entrenar habilidades manuales en el sector médico. En colaboración con fisioterapeutas de Griffith University en Australia, se desarrolló un simulador que permite realizar ejercicios de rehabilitación de la mano. Las propiedades de rigidez no lineales de la articulación metacarpofalange del dedo índice se estimaron mediante la utilización del efector final diseñado. Estos parámetros, se han implementado en un escenario que simula el comportamiento de la mano humana y que permite la interacción háptica a través de esta interfaz. Las aplicaciones potenciales de este simulador están relacionadas con entrenamiento y educación de estudiantes de fisioterapia. En esta tesis, se han desarrollado nuevos métodos que permiten el control simultáneo de robots y manos robóticas en la interacción con entornos reales. El espacio de trabajo alcanzable por el dispositivo háptico, se extiende mediante el cambio de modo de control automático entre posición y velocidad. Además, estos métodos permiten reconocer el gesto del usuario durante las primeras etapas de aproximación al objeto para su agarre. Mediante experimentos de manipulación avanzada de objetos con un manipulador y diferentes manos robóticas, se muestra que el tiempo en realizar una tarea se reduce y que el sistema permite la realización de la tarea con precisión. Este trabajo, es el resultado de una colaboración con investigadores de Harvard BioRobotics Laboratory. ABSTRACT When we interact with the environment in our daily life (using a toothbrush, opening doors, using cell-phones, etc.), or in professional situations (medical interventions, manufacturing processes, etc.) we typically perform dexterous manipulations that involve multiple fingers and palm for both hands. Therefore, multi-Finger haptic methods can provide a realistic and natural human-machine interface to enhance immersion when interacting with simulated or remote environments. Most commercial devices allow haptic interaction with only one contact point, which may be sufficient for some exploration or palpation tasks but are not enough to perform advanced object manipulations such as grasping. In this thesis, I investigate the mechanical design, control and applications of a modular haptic device that can provide force feedback to the index, thumb and middle fingers of the user. The designed mechanical device is optimized with a multi-objective design function to achieve a low inertia, a large workspace, manipulability, and force-feedback of up to 3 N within the workspace; the bandwidth and rigidity for the device is assessed through simulation and real experimentation. One of the most important areas when designing haptic devices is the end-effector, since it is in contact with the user. In this thesis the design and evaluation of a thimble-like, lightweight, user-adaptable, and cost-effective device that incorporates four contact force sensors is described. This design allows estimation of the forces applied by a user during manipulation of virtual and real objects. The design of a real-time, modular control architecture for multi-finger haptic interaction is described. Requirements for control of multi-finger haptic devices are explored. Moreover, a large number of signals have to be acquired, processed, sent over the network and mathematical computations such as device direct and inverse kinematics, jacobian, grasp detection algorithms, etc. have to be calculated in Real Time to assure the required high fidelity for the haptic interaction. The Hardware control architecture has different modules and consists of an FPGA for the low-level controller and a RT controller for managing all the complex calculations (jacobian, kinematics, etc.); this provides a compact and scalable solution for the required high computation capabilities assuring a correct frequency rate for the control loop of 1 kHz. A set-up for dexterous virtual and real manipulation is described. Moreover, a new algorithm named the iterative kinematic decoupling method was implemented to solve the inverse kinematics of a robotic manipulator. In order to understand the importance of multi-modal interaction including haptics, a subject study was carried out to look for sensory stimuli that correlate with fast response time and enhanced accuracy. This experiment was carried out in collaboration with neuro-scientists from Technion Israel Institute of Technology. By comparing the grasping response times in unimodal (auditory, visual, and haptic) events with the response times in events with bimodal and trimodal combinations. It is concluded that in grasping tasks the synchronized motion of the fingers to generate the grasping response relies on haptic cues. This processing-speed advantage of haptic cues suggests that multimodalhaptic virtual environments are superior in generating motor contingencies, enhancing the plausibility of events. Applications that include haptics provide users with more time at the cognitive stages to fill in missing information creatively and form a richer experience. A major application of haptic devices is the design of new simulators to train manual skills for the medical sector. In collaboration with physical therapists from Griffith University in Australia, we developed a simulator to allow hand rehabilitation manipulations. First, the non-linear stiffness properties of the metacarpophalangeal joint of the index finger were estimated by using the designed end-effector; these parameters are implemented in a scenario that simulates the behavior of the human hand and that allows haptic interaction through the designed haptic device. The potential application of this work is related to educational and medical training purposes. In this thesis, new methods to simultaneously control the position and orientation of a robotic manipulator and the grasp of a robotic hand when interacting with large real environments are studied. The reachable workspace is extended by automatically switching between rate and position control modes. Moreover, the human hand gesture is recognized by reading the relative movements of the index, thumb and middle fingers of the user during the early stages of the approximation-to-the-object phase and then mapped to the robotic hand actuators. These methods are validated to perform dexterous manipulation of objects with a robotic manipulator, and different robotic hands. This work is the result of a research collaboration with researchers from the Harvard BioRobotics Laboratory. The developed experiments show that the overall task time is reduced and that the developed methods allow for full dexterity and correct completion of dexterous manipulations.

Robots Submarinos: Una Síntesis sobre el Estado Actual de su Investigación y Desarrollo*

Las actividades submarinas requieren de las herramientas necesarias para lograr una provechosa tarea, ya sea en el ámbito industrial, militar o de investigación científica. La tendencia actual para este tipo de actividades, es el uso de Robots Submarinos en diversidad de tareas. En este documento se presenta un breve análisis de los mismos, empezando con su desarrollo, los avances logrados hasta el momento y la tecnología que los envuelve ya sea en posicionamiento X-Y, control, comunicación, diseño y sensores; más adelante se hablará de las actividades y ejemplos de aplicaciones actuales en las que se utilizan robots submarinos, mencionando especialmente los denominados ROVs y sus principales características, así como su forma de operar. En la parte final se aborda el tema del futuro y las perspectivas de la investigación en esta área como por ejemplo el desarrollo en la autonomía y sistemas de comunicación.