Passive safe falling of humanoid robots

This thesis reports the study of the problem of passive safe falling of the humanoid robot TORO (TOrque controlled humanoid RObot) developed by DLR (German Aerospace Center) in Oberpfafenhoffen, Germany. Passive falling refers to all those cases when control of the robot during fall is difficult or even not possible. Since the control is not available, this kind of phenomenon can be made ‘safe’ only through the implementation of protective gear. Analyzing deeply the characteristics of TORO and studying the state of the art of the problem, airbags are individuated as the technology that best matches the requirements of this kind of application. The idea is to develop an experimental campaign to study the phenomenon and the effectiveness of airbags. Since it is too dangerous to make the experiments directly with TORO, as it was not designed for safe falling, a mockup of the robot is designed and built to match both kinematic and inertial characteristics. Then different airbag solutions are realized and implemented. The mockup is then tested by falling in different poses with and without airbags and accelerations of hip and chest are acquired through accelerometers. Merging the knowledge acquired from experiments with theoretical relations we develop an analytical model to describe the phenomenon. The model is a 3D representation of the robot, replicating its volume and mass distribution. This information is then used to identify direction of fall, contact points and dynamics of the fall and impacts. Using the estimated dynamics, we can calculate the times, decelerations and forces involved in the fall. The model results are then compared with the experimental ones. This kind of model can be used as a framework for improvement of airbag design, inflation/deflation control logics and estimation of forces/decelerations for cases different than the tested ones. The learnings can potentially be used as a basis to design future more robust humanoids.

In questa tesi è riportato lo studio del problema della ‘Caduta Passiva Sicura’ del robot umanoide TORO (TOrque controlled humanoid RObot) sviluppato al DLR (Centro Spaziale Tedesco) di Oberpfafenhoffen, in Germania. Il termine ‘Caduta Passiva’ si riferisce a tutti quei casi dove il controllo del robot durante una caduta risulta difficile se non addirittura impossibile. Dato che non è possibile controllare la caduta, l’unica modalità rimasta per renderla ‘sicura’ risulta essere l’implementazione di protezioni. Dopo aver analizzato a fondo le caratteristiche di TORO e aver studiato lo stato dell’arte riguardante questo problema, risulta che gli airbag siano la tecnologia che meglio sposa i prerequisiti di questo tipo di applicazione. L’idea è quella di realizzare una campagna sperimentale per studiare sia l’entità del fenomeno in sé (massime forze e accelerazioni) sia l’efficacia dell’utilizzo di airbag. Poiché risulta essere troppo pericoloso operare i test direttamente su TORO, non essendo esso progettato per sostenere cadute, viene progettata e costruita una copia cinematica e inerziale del robot in scala 1:1. Successivamente, vengono realizzate e implementate diverse soluzioni airbag. L’apparato è poi testato facendolo cadere in pose differenti con e senza airbag e le storie temporali di accelerazione del bacino e del petto vengono misurate attraverso accelerometri. Unendo la conoscenza acquisita attraverso i test con relazioni teoriche, viene sviluppato un modello analitico del fenomeno. Il modello crea una rappresentazione 3D del robot, che replica la distribuzione del volume e della massa. Queste informazioni vengono utilizzate per calcolare la direzione, i possibili punti di contatto e la dinamica della caduta. Usando la stima della dinamica, è possibile calcolare durata, decelerazioni e forze coinvolte nel fenomeno. I risultati del modello vengono poi confrontati con i risultati sperimentali. Questo tipo di modello può essere utilizzato come struttura di base sia per il progetto di airbag migliori sia per l’implementazione di strategie di controllo di gonfiaggio/sgonfiaggio degli airbag sia infine per stimare forze e decelerazioni per casi differenti da quelli testati sperimentalmente. Il modello può essere inoltre utilizzato come punto di partenza per progettare in futuro robot più resistenti.