Diseño y control reactivo de robots caminantes sobre terreno natural

Resum

En las últimas décadas se ha constatado el creciente interés que presentan los robots caminantes, tanto desde el punto de vista de la investigación básica como de sus potenciales aplicaciones. Una de las principales características de los robots equipados con patas es su capacidad para poder desplazarse sobre una amplia variedad de terrenos no estructurados. Esta particularidad los hace muy atractivos e interesantes para su aplicación práctica como robots de servicios en los que se requiere la locomoción sobre terreno natural, el cual se caracteriza por presentar superficies irregulares, diversos tipos de obstáculos y distintas pendientes. Sin embargo, el caminar sobre terreno natural implica que tanto la geometría como las propiedades físicas de los elementos que rodean al robot son desconocidas y muy variables, por lo que es necesario dotar al robot de un sistema de control que adapte su comportamiento con respecto al entorno. Si bien el modelo del robot puede ser conocido con precisión razonable, resulta difícil obtener una descripción detallada del entorno, especialmente en lo que respecta a sus propiedades físicas. Por ello, se hace imprescindible el empleo de distintos sistemas que proporcionen información acerca de la interacción dinámica entre el robot y los elementos que le rodean. Dicha información deberá ser introducida de forma adecuada en el sistema de control. En esta tesis se aborda el problema de la locomoción sobre terreno natural de robots caminantes, y se proponen diversas soluciones para el control de la interacción robot-entorno basadas en arquitecturas de control reactivo. Para la realización de la tesis se ha elegido como plataforma experimental el robot Roboclimber, que es un robot cuadrúpedo, caminante y escalador, de grandes dimensiones, capaz de llevar consigo una carga muy elevada de equipo especializado para la consolidación de laderas de montañas rocosas.Partiendo del diseño, realización y modelado del robot y de su sistema de actuación servo-hidráulico, y definida su arquitectura de control, se investigan diversas alternativas para la obtención de las fuerzas de reacción robot-entorno, bien de forma indirecta empleando sensores de ultrasonidos, bien de forma directa mediante el empleo de sensores de presión localizados en los actuadores hidráulicos. Dado el elevado número de señales presentes y de la presencia de ruido en las medidas, se toman en consideración diversas técnicas de filtrado. Por otro lado, la generación de modos de locomoción estables sobre terreno natural es un problema complejo que requiere regular la interacción dinámica robot-entorno. Por esta razón se investigan diversas estrategias de control reactivo para locomoción sobre terreno natural, que van desde el control acomodaticio hasta el control de impedancia. Tanto para la implementación de las estrategias de control reactivo en tiempo real como para su evaluación experimental se ha empleado como plataforma a Roboclimber, con el que se han realizado pruebas exhaustivas y multitud de experimentos. Esta fase de experimentación ha servido también para evaluar la funcionalidad del robot en distintos tipos de situaciones con las que se va a tener que enfrentar habitualmente un robot de servicios que tiene que trabajar en ambientes y condiciones naturales, lo que significa, en la práctica, condiciones muy exigentes y de un grado de dificultad elevado. Aunque se haya empleado Roboclimber como plataforma de experimentación, muchos de los resultados obtenidos son de aplicabilidad, en general, al problema del control de robots caminantes sobre terreno natural.