Internally actuated cubic robot: design and control

In this thesis, the design, modelling and control of an internally actuated cubic robot is presented. It can act as a self-balancing device and it can achieve controlled jumping mobility suitable for unstructured environments, serving as a base for the future develop- ment of a rover for microgravity applications. Its functioning principle is based on three orthogonal flywheels, which rotate at high speed thanks to a motor. When a brake acts on these flywheels, the angular momentum is transferred to the main body of the robot making it rotate ore even jump. Moreover, controlling the angular speed of the flywheels it is possible to maintain it balanced on a vertex thanks to the conservation of angular momentum. Regarding the mechanical system, firstly a preliminary dynamical analysis was carried out to highlight the most important design parameters, like flywheels’ inertia and brak- ing torque, then, great effort was put into creating an assembly with easily accessible components, while at the same time being compact and lightweight. Particular attention was given to the braking system, making sure its design was adequate to the task by performing a FEM analysis. An analytical dynamical model was developed, using quaternions to model the kinematics and using Lagrangian dynamics to obtain the equation of motion. An optimal control system is then implemented using the linear quadratic regulator, stabilizing the system both on its sides and on its vertices. The control algorithm is implemented in Simulink, testing it by performing co-simulations with Adams View, where a multibody model of the system was developed, modelling the contact between the robot and the ground. In these simulations, the system showed good performance when balancing, struggling the most when jumping up from the ground, and from its side to its vertex, because slipping may occur if the surface friction is too low. Finally, the robot has been realized and assembled.

In questa tesi vengono presentati il design, la modellazione e il controllo di un robot cubico e azionato internamente. Può funzionare da dispositivo autobilanciante ed è capace di mobilità grazie a salti controllati, il che lo rende utile in ambienti non strutturati, poten- zialmente servendo da base per lo sviluppo di un futuro rover spaziale per esplorazioni in condizioni di microgravità. Il suo principio di funzionamento si basa su tre volani ortog- onali che ruotano ad alta velocità grazie a dei motori. Quando un freno agisce su questi volani, il momento angolare è trasferito sul corpo principale del robot, facendolo ruotare o addirittura saltare. Inoltre, controllando la velocità angolare dei volani è possibile man- tenerlo in equilibrio su un vertice, sempre grazie alla conservazione del momento angolare. Per quanto riguarda il sistema meccanico, innanzitutto è stata svolta un’analisi dinamica preliminare per determinare i parametri fondamentali di progettazione, come l’inerzia dei volani e la coppia frenante, successivamente, grande impegno è stato messo nel creare un assieme con componenti facilmente accessibili, mantenento allo stesso tempo delle dimensioni contenute e un peso ridotto. Particolare attenzione è stata dedicata alla pro- gettazione del sistema frenante, testando la sua resistenza meccanica nelle condizioni di lavoro più critiche, validando il tutto con una verifica al FEM. Un modello dinamico analitico è stato sviluppato, usando i quaternioni per modellare la cinematica e usando la dinamica Lagrangiana per ottenere l’equazione di moto. Un sistema di controllo ottimale viene derivato usando il regolatore lineare quadratico, in modo da bilanciare il sistema sia sui suoi lati che sui suoi vertici. L’algoritmo di controllo è implementato in Simulink e testato facendo co-simulazione con Adams View, software usato per sviluppare un modello multibody del robot, modellando il contatto tra esso e il terreno. In queste simulazioni, il sistema mostra una buona performance in termini di bilanciamento, riscontrando le maggiori difficoltà nelle fasi di salto, passando da appog- giato a terra all’equilibrio su un lato, e da ques’ultimo ad un vertice, criticità che può essere attribuita agli slittamenti che accadono quando i coefficienti di attrito sono troppo bassi. Infine, sono stati compiuti la realizzazione e l’assemblaggio del robot.