Modelling and control of a quadruped-spider robot: simulation and scale prototype implementation

Recent years have witnessed significant advancements in robotics, driven by technological progress. This thesis delves into the design, development, simulation, and implementation of a quadruped spider-inspired robot system. The presented architecture features four legs equipped with four degrees of freedom each, for stability and flexibility enhancement. The Simulink environment serves as testing ground for refining the model before the real-world deployment, leveraging tools like SolidWorks, used for CAD modeling, and Simscape Multibody for the walking simulation. Movement control and coordination among legs have been achieved with a static gait. Through a kinematic analysis, the trajectory generation utilizes fifth-order polynomials. Controllers, employed for trajectory monitoring, operate over the actuation torque, independently and decoupled from each other. Subsequent phases focus on implementing the system on a scale prototype, integrating data acquisition processes, analysis, and control based on the MPU-6050 sensor with a complementary filter. The discussion extends to balance control employing transfer functions, modeled as First Order Plus Dead Time (FOPDT) systems for roll and pitch, alongside PID controllers. Finally, it elaborates on motion algorithms, communication protocols, and the development of a Graphical User Interface (GUI) to facilitate user-robot interaction.

Negli ultimi anni, la robotica ha fatto passi significativi grazie ai progressi tecnologici. Questa tesi si focalizza sul progetto, lo sviluppo, la simulazione e l'implementazione di un sistema robotico quadrupede ispirato ai movimenti di un ragno. L'architettura proposta presenta quattro zampe, ciascuna con quattro gradi di libertà, per migliorare la stabilità e la flessibilità del robot. L'ambiente Simulink è utilizzato per testare e perfezionare il modello prima dell'applicazione pratica, facendo uso di strumenti come SolidWorks per la progettazione CAD e Simscape Multibody per simulare la movimentazione. Il controllo ed il coordinamento del movimento tra le zampe sono ottenuti mediante uno static gait. Attraverso un'analisi cinematica, la generazione delle traiettorie avviene, invece, tramite polinomi di quinto grado. I controllori, utilizzati per monitorare le traiettorie, operano sulla coppia in modo indipendente l'uno dall'altro. Le fasi successive si concentrano sull'implementazione del sistema su un prototipo in scala, integrando processi di acquisizione dati, analisi e controllo basato sul sensore MPU-6050 con un complementary filter. Inoltre, viene implementato il controllo dell'equilibrio attraverso funzioni di trasferimento, modellate come sistemi First Order Plus Dead Time (FOPDT) per roll e pitch, insieme a controllori PID. Infine, vengono approfonditi gli algoritmi di movimento usati, i protocolli di comunicazione e lo sviluppo di un'interfaccia grafica (GUI) per facilitare l'interazione tra utente e robot.