Motion control and manipulability analysis of LIMBERO-GRIEEL: a multimodal limbed robot for unstructured environments

Crucial scientific and social activities such as environmental monitoring, exploration of extreme environments, and disaster response have relied on robotic systems for as long as these technologies have existed. Those operations are conducted in dangerous or unreachable environments for humans, where the deployment of machines capable of achieving multiple tasks is inevitable. The robotic system considered in this research is a multimodal four-limbed machine, with both walking, climbing, and driving capabilities, thanks to the employed gripper-wheel transformable end effector. Multiple locomotion modes and manipulation abilities enable the efficient execution of complex missions, where many conventional robots would be required simultaneously. This cutting-edge machine is currently a prototype of the Space Robotics Lab, and this work contributes to its first development steps, with the design and implementation of reliable high-level motion algorithms, motion controller design, software architecture integration, simulation setup, and first real system experiments. The principal algorithm developed enables a smooth autonomous and adaptable module transformation, maintaining the robot stable with three limbs on the ground while transforming the raised limb. In computing the motion sequence, feedback from the system state is used to adapt the motion, and dexterity is considered when defining the robot configuration. Since literature lacks an index of dexterity for multilimbed robots, in this research a novel criterion to evaluate it as a manipulability criterion has been defined, extending the established manipulator theory. This index proves to be efficient in defining the preferred direction of motion of the robot base in a given configuration and has been tested in the bio-inspired example of a grasshopper jumping task. The algorithm and the motion controller have been tested on a simulator, which has been set up as part of this research, and then evaluated on the real system, performing a complete transformation sequence. This work has defined the foundation of smooth locomotion transition and system autonomy, still under research for a novel mechanical design.

Cruciali attività scientifiche e sociali come il monitoraggio ambientale, l'esplorazione di ambienti estremi e l'intervento in caso di disastri si sono affidate a sistemi robotici sin da quando queste tecnologie esistono. Queste operazioni sono condotte in ambienti pericolosi o irraggiungibili per l'uomo, dove l'impiego di robot in grado di svolgere più compiti è inevitabile. Il sistema considerato in questa ricerca è un robot multimodale a quattro arti, con capacità di camminare, arrampicarsi e guidare su ruote, grazie all'impiego di un end effector trasformabile tra gripper e ruota. Le molteplici modalità di locomozione e la capacità di manipolazione consentono di eseguire in modo efficiente missioni complesse, per le quali sarebbero necessari molti robot convenzionali. Questa macchina all'avanguardia è attualmente un prototipo dello Space Robotics Lab, e questo lavoro contribuisce ai primi passi del suo sviluppo, con la progettazione e l'implementazione di algoritmi di movimento affidabili, la progettazione del controllore del moto, l'integrazione dell'architettura software, la messa a punto della simulazione e i primi esperimenti sul sistema reale. L'algoritmo principale sviluppato consente una trasformazione autonoma e adattabile dell’end effector, mantenendo il robot stabile su tre punti d’appoggio durante la trasformazione dell'arto sollevato. Nel calcolo della sequenza di movimento, il feedback dallo stato del sistema viene utilizzato per adattare il movimento, e la destrezza viene considerata quando si definisce la configurazione del robot. Poiché in letteratura manca un indice di destrezza per i robot a piú arti, in questa ricerca è stato definito un nuovo criterio per valutarla come criterio di manipolabilità, estendendo la teoria dei manipolatori. Questo indice si è dimostrato efficiente nel definire la direzione di movimento preferita della base del robot in una determinata configurazione, ed è stato testato nell'esempio bioispirato del salto di una cavalletta. L'algoritmo e il controllore di movimento sono stati testati su un simulatore, messo a punto per questa ricerca, e poi valutati sul sistema reale, completando una sequenza completa di trasformazione. Questo lavoro ha definito le basi per una transizione fluida della locomozione e per l'autonomia del sistema, attualmente in fase di ricerca per un nuovo design meccanico.