Identification of optimal locomotion architectures for multi-legged walking rovers with genetic algorithm

Autonomous space rovers are a key technology in the development of the space industry. The ability to carry on operations without human assistance is fundamental in harsh environments such as the ones found outside the Earth atmosphere. The development of legged rovers is of particular interest, given their superior performance in the crossing of not smooth surfaces in comparison to wheeled rovers. Unfortunately, scientists still have to find a consensus on the best architecture of legged rovers and on the number of legs to use. Nowadays, many different architectures are used and most of them are directly inspired by nature, but no exhaustive comparison has been carried on among them. The objective of this thesis is the identification of the best architecture via an optimisation of a performance parameter. The optimisation is repeated for rovers with different number of legs, in order to assess also how the increase of number of legs affects the rover performances. The results are achieved by defining a function able to link a general architecture for the legged rover to the defined performance parameters. The parameters are related to the stability of the rover and to the manipulability ellipsoids of the legs. Then, the aforementioned function is optimised via the genetic algorithm, which is chosen for its similarity to natural evolution. The results achieved are shown and confronted in order to understand how different configurations compare with each other. Particularly, the evolution of the performance parameters along the trajectory is object of study.

I rover spaziali in grado di operare autonomamente sono una tecnologia chiave nello sviluppo dell’industria spaziale. La capacità di operare senza intervento umano è di fondamentale importanza in ambienti ostili come quelli presenti al di fuori dell’atmosfera terrestre. In particolare, lo sviluppo di rover a zampe risulta di notevole interesse in quanto vantano performance migliori in terreni sconnessi rispetto ai rover a ruote. Sfortunatamente, gli scienziati non sono ancora giunti a un consenso su quale sia l’architettura migliore per i rover a zampe e sul numero ottimale di zampe da utilizzare. Attualmente diverse architetture vengono utilizzate e la gran parte di esse sono ispirate dalla natura. Tuttavia non è mai stato compiuto un confronto esaustivo tra le diverse configurazioni. L’obiettivo di questa tesi è l’identificazione dell’architettura ottimale tramite l’ottimizzazione di un parametro di merito. L’ottimizzazione è ripetuta su rover con un diverso numero di zampe. Ciò è fatto per valutare quale effetto abbia la variazione del numero di gambe sulle prestazioni del rover. Inizialmente viene definita una funzione che permette di passare dall’architettura generica del rover ai parametri di merito. I parametri di merito considerati sono legati alla stabilità del rover e agli ellissoidi di manovrabilità delle zampe. Successivamente, la funzione definita precedentemente viene ottimizzata con l’algoritmo genetico. E’ stato scelto l’algoritmo genetico in quanto è un processo simile all’evoluzione naturale. I risultati ottenuti sono infine confrontati per comprendere come le prestazioni cambino a seconda delle diverse configurazioni ottenute. In particolare viene studiata l’evoluzione dei parametri di merito durante la traiettoria.