Leg Design and Control for Jumping Quadrupeds

Abstract

Utviklingen av roboter med bein har opp gjennom årene fått stadig mer fokus. Dette som et resultat av den raskt økende interessen fra robotutviklere. En drivkraft for denne utviklingen, har vært kravet om trygge, anvendelige og effektive robotsystemer som kan fullføre komplekse oppgaver. Relevansen til slike robotsystemer er avhengige av en rekke faktorer, som blant annet deres evne til å operere i stadig mer utfordrende miljøer, samt deres evne til å kunne krysse jevnt og ujevnt terreng. Denne oppgaven vil fokusere på design, kontrollsystem og utforskningsevner til et firebeint robotsystem. Utviklingen av forskjellige bevegelsesmidler har vært et fokuspunkt for utviklingen av firebeindesign, og ulike gangarter av statisk og dynamisk karakter er utviklet for ulike oppgaver. Roboten vil bli designet med fokus på bevegelsesevner. Ved å inkorporere forskjellige gangarter kan den utnytte disse til forskjellige oppgaver. Dynamisk hopping som en form for bevegelse vil ha stor innflytelse på de endelige mekaniske designvalgene. Evnen til å endre gangart mellom dynamisk hopping og en mer standard firbent gange vil være avgjørende for allsidigheten og fleksibiliteten til designets evner. Tidligere studier har vist at den mest effektive måten å bevege seg på for denne typen roboter, er en kombinasjon av kjøring, gåing og hopping. Dette har imidlertid vist seg å være en stor utfordring. De enkelte bevegelsene kan løses separat, og flere systemer har gode løsninger for individuelle bevegelsesoppgaver. Å inkludere flere gangarter og bevegelsesmidler vil gi designet bedre egenskaper for framkommelighet i forskjellige terreng. For å løse dette har det blitt forsket på kontrollsystemer for mer komplekse bevegelser og bevegelse. En av de største utfordringene med dette kan være å kombinere de ulike bevegelsestypene til kontinuerlige og flytende bevegelser. Den andre store utfordringen er kontrollen og effektiviteten til hoppmekanismen til roboten. Fokus vil være å få endringene mellom ulike bevegelser til å bli flytende. Robotdesignet vil bli produsert og testet for å kategorisere dens fysiske evner og bestemme påvirkningene og kreftene den blir utsatt for. Simuleringer vil bli gjort for å teste systemets ulike muligheter. En fysisk test vil bli utført for å observere hvordan systemet vil reagere på virkelige tester i et kontrollert miljø

The development of legged robotics has over the years received increasingly more focus. This is a result of the rapid growth in interest from robotic developers. The demand for a safe, dexterous, and efficient robotic system that can complete complex tasks has been a driving force in this evolution. The relevance of such robotic systems is dependent on their capabilities to operate in increasingly challenging environments and to be able to traverse rugged and uneven terrain. This thesis will focus on the design, control system, and exploration abilities of a quadruped-legged robotic system. The development of different means of locomotion has been a focal point for the development of quadrupedal designs. Different gaits of static and dynamical nature have been developed for different tasks. The robot will be designed with a focus on locomotion abilities. By incorporating different gaits these can be utilized for different tasks. Dynamical jumping as a form of locomotion will have a heavy influence on the final mechanical design choices. The ability to change gaits between dynamical jumping and a more standard quadrupedal walking gait will be essential for the versatility and flexibility of the capabilities of the design. Earlier studies have shown that the most efficient way for these kinds of robots to move is in a combination of roving, hoping, and walking. However, this has proven to be a big challenge. The individual movements can be solved separately, and several systems have good solutions for individual locomotion tasks. Incorporating multiple gaits and locomotion means will give the design a greater means for reversibility in different terrains. To address this, research has been conducted on control systems for increased complex movements and locomotion. The greatest challenge may the combination of different types of movements into continuous, fluid movements. The other great challenge is the control and efficiency of the jumping mechanism of the robot. A prioritized area will be on making the changes between different movements become fluid and without stopping in between. The robotic design will be manufactured and tested to categorize its physical abilities and determine the impacts and forces to which it will be exposed. Simulations will be done to test the system’s different capabilities. A physical test will be done to observe how the system will respond to real-world tests in a controlled environment.