Development of a dynamic model for the study of the locomotion of a hexapod robot

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Main Author: Canedo, João Miguel Varizo Martins
Publication Date: 2023
Format: Master thesis
Language: eng
Source: Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)
Download full: https://hdl.handle.net/1822/90855
Summary: Dissertação de mestrado integrado em Engenharia Mecânica
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spelling Development of a dynamic model for the study of the locomotion of a hexapod robotControlFoot-ground contactHexapodMultibody dynamicsRobotic dynamicsControloContacto pé-soloHexápodeDinâmica de sistemas multicorpoDinâmica robóticaEngenharia e Tecnologia::Engenharia MecânicaDissertação de mestrado integrado em Engenharia MecânicaThe development of autonomous mobile robots has been growing motivated by their ability to perform duties without human supervision. Amongst these systems, hexapods take advantage of their locomotion stability to adapt the gait patterns to different terrain topologies, which increases the interest of their utilization for tasks involving unknown and complex scenarios. Moreover, their development must take into consideration the dynamical loads inherent to their locomotion in these conditions. Nonetheless, commercially available software only provides an estimation of the system-environment interactions, which may not provide good approximations for bodies behaviour during both collisions with external objects and contact with the ground. Thereby, this work aims at building a detailed multibody model of the hexapod ATHENA (All-Terrain Hexapod for Environment Navigation Adaptability) and study its dynamic behaviour using Newton-Euler formulation. This study requires the development of an in-house software based on python, which solves at each timestep a system of linear equations that describe the hexapod dynamic behaviour. All the robot joints are treated as kinematic constraints and the robot-ground contact is modelled using an elastic approach. In this sense, suitable normal and tangential contact force models are applied to realistically describe those interactions. The main objective of developing a fully functioning dynamic model was completed. Various simulations were performed to evaluate the robot’s behaviour during locomotion. The model was validated by the evaluation of the joints’ positional and velocity errors for varying Baumgarte parameters, that exhibited that the positional and velocity errors are minimal and the system converges It was also concluded that the used interpolation scheme affects the robot behaviour. The use of the Akima function, instead of cubic splines led to more trustworthy results. This work will allow that the developed multibody dynamic model of the ATHENA to be used to control the physical prototype in real time when travelling in a flat surface, based on the desired trajectory. Other terrain topologies will be further studied in the future.O desenvolvimento de robôs móveis autónomos tem vindo a crescer motivado pela sua capacidade de desempenhar funções sem supervisão humana. Entre estes sistemas, os hexápodes recorrem à sua estabilidade de locomoção para adaptar o seu tipo de marcha a diferentes topologias do terreno, o que aumenta o interesse na sua utilização para tarefas que envolvem cenários desconhecidos e complexos. Além disso, o seu desenvolvimento deve ter em consideração as cargas dinâmicas inerentes à sua locomoção nestas condições. No entanto, o software disponível comercialmente apenas fornece uma estimativa das interações sistema-ambiente, o que pode não fornecer aproximações adequadas do comportamento dos corpos durante as colisões com objetos externos e o contacto com o solo. Assim, este trabalho visa construir um modelo multicorpo detalhado do robô hexápode ATHENA (All Terrain Hexapod for Environment Navigation Adaptability) e estudar o seu comportamento dinâmico utilizando a formulação Newton-Euler. Este estudo requer o desenvolvimento de um software na linguagem de programação python, que resolve, para cada instante de tempo, um sistema de equações lineares que descrevem o comportamento dinâmico do robô. Todas as juntas do robô são tratadas como constrangimentos cinemáticos e o contacto robô-solo é modelado utilizando uma abordagem elástica. Neste sentido, são aplicados modelos adequados de força de contacto normal e tangencial para descrever de forma realista estas interações. O principal objetivo de desenvolver um modelo dinâmico totalmente funcional foi concluído. Foram efetuadas variadas simulações para avaliar o comportamento do robô durante a locomoção. O modelo foi validado através da avaliação dos erros de posição e de velocidade associados às juntas para diferentes valores dos parâmetros de Baumgarte, que demonstrou que os erros de posição e velocidade são mínimos e o sistema converge. Concluiu-se também que o esquema de interpolação utilizado afeta o comportamento do robô. A utilização da função Akima, no lugar de splines cúbicas, conduziu a resultados mais fiáveis. Este trabalho permitirá que o modelo dinâmico multicorpo desenvolvido do ATHENA seja utilizado para controlar o protótipo físico em tempo real ao locomover-se numa superfície plana, com base na trajetória desejada. Outras topologias de terreno serão estudadas no futuro.Marques, FilipeUniversidade do MinhoCanedo, João Miguel Varizo Martins2023-12-112023-12-11T00:00:00Zinfo:eu-repo/semantics/publishedVersioninfo:eu-repo/semantics/masterThesisapplication/pdfhttps://hdl.handle.net/1822/90855eng203539710info:eu-repo/semantics/openAccessreponame:Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP)instname:FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiainstacron:RCAAP2024-05-11T07:21:39Zoai:repositorium.sdum.uminho.pt:1822/90855Portal AgregadorONGhttps://www.rcaap.pt/oai/openaireinfo@rcaap.ptopendoar:https://opendoar.ac.uk/repository/71602025-05-28T16:24:31.886355Repositórios Científicos de Acesso Aberto de Portugal (RCAAP) - FCCN, serviços digitais da FCT – Fundação para a Ciência e a Tecnologiafalse
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