Virtual model control of a legged robot for planetary exploration

Into this Thesis the author will try to explore a possible application of the Virtual Model Control strategy for an hexapod walk. Since the human chapter in extra-terrestrial bodies exploration is not possible yet, mostly because of the risky environment and the lack of affordable solutions, space agencies are moving to more and more in-situ robot analyses. Hence new moving mechanisms are under study to overcome classical issues of the wide-used wheeled rovers. One of these is represented by legged robots which promise an higher level of mobility and stability in case of rough terrain. Many are the control theories for the leg movement, directly inherited from manipulators study, but this work tries to exploit a novel solution as the VMC is. The use of springs and dampers to constrain key-points of the robot allows to obtain the desired response as a consequence, in both the typical phases of a gait: the stance phase and the swing phase. If the first is focussed on the body advancement and attitude control with respect to the ground, the second one contains the design of the step, which shape should be optimized according to the terrain. Without a dynamic model of the system, the control design results extremely smooth and versatile at glance, even if some drawbacks can be pointed out about the lack of solid guidelines indeed.

Questo lavoro vuol porsi come uno studio sui sistemi di movimentazione per piattaforme robotiche, in particolare cercando di verificare l'utilizzabilità della strategia nota come Virtual Model Control su un rover esapode. L'esplorazione umana deve ancora affrontare e risolvere, in modo accessibile, problemi sia legati all'ambiente spaziale sia ai tempi di viaggio prima di potersi imporre come prossimo passo. Nel mentre nuove missioni vengono lanciate e per approfondire lo studio dello spazio esterno e per preparare sul posto proprio l'arrivo dell'uomo su nuovi corpi celesti, primo tra tutti Marte. In questa cornice prende luogo lo studio della locomozione dei suddetti rover, fin'ora affidata a ruote. Pur essendo un sistema estremamente stabile, risulta proprio per questo con delle limitazioni legate al terreno che deve superare. Soluzioni alternative vedono l'utilizzo di gambe in vario numero e disposizione secondo diverse considerazioni quali stabilità e grado di mobilità. In questo lavoro si è trovato un buon compromesso in un esapode. Diverse sono le teorie di controllo attuabili, tra le più studiate rientra sicuramente l'Impedance Control, ma ci si è voluto concentrare su una strategia che sta recentemente prendendo piede per la sua semplicità: il Virtual Model Control. Attraverso l'utilizzo di elementi virtuali come molle e smorzatori le forze di controllo vengono facilmente calcolate, per poi essere tradotte in coppie nei giunti delle gambe. Questa strategia di controllo non vede una base teorica alle spalle, permettendo dunque di adattarsi a molteplici situazioni previa un'ottima conoscenza dello scenario da parte del programmatore. Qui forse giace il più grande ostacolo del VMC, non avendo né una grande storia di sperimentazione alle spalle né delle linee guida che siano matematiche o fisiche, si rischia di rallentare molto nel lavoro di comprensione del problema. Per tutti questi motivi, tale lavoro vuole approfondire l'argomento per rivelare se il citato controllo può palesarsi come una soluzione in caso di robot con gambe, in particolare nelle questioni legate all'esplorazione planetaria.