Design and control of an inertially actuated cubic robot

The exploration of small celestial bodies presents significant mobility challenges due to microgravity environments where traditional wheeled rovers struggle with traction. To address this issue, internally-actuated hopping rovers have emerged as a promising solution. This thesis presents the comprehensive mechatronic design, mathematical modeling, and control architecture of a novel self-balancing cubic robot actuated by three orthogonal reaction wheels and a solenoid-based braking mechanism. The hardware is designed with a strong focus on modularity, utilizing commercial components, a Raspberry Pi 5 for high-level computation, and a custom ROS 2 software framework. To govern the robot's complex dynamics, a full mathematical model is derived based on the conservation of angular momentum and a quaternion representation. A hybrid control strategy is proposed, separating feedforward open-loop commands for impulsive maneuvers (such as tumbling and jumping) from a feedback closed-loop system for balancing on edges and vertices. The feedback loop implements a hierarchical nonlinear quaternion controller combined with a Linear-Quadratic Regulator (LQR). Tumbling and balancing dynamics have been theoretically modeled and numerically simulated. The physical prototype successfully underwent a rigorous experimental characterization to identify crucial system parameters, including sensor noise, control delay, center of gravity, inertia matrix, and flywheel friction coefficients. This work provides a full hardware and software framework, laying the groundwork for balancing and locomotion testing.

L'esplorazione dei corpi celesti minori pone sfide di mobilità notevoli a causa degli ambienti in microgravità, dove i tradizionali rover su ruote riscontrano gravi problemi di trazione. Per ovviare a questa criticità, gli hopping rover ad attuazione interna si stanno affermando come una soluzione altamente promettente. Questa tesi presenta la progettazione meccatronica completa, la modellazione matematica e l'architettura di controllo di un innovativo robot cubico in grado di stare in equilibrio autonomamente su un vertice. Il robot è attuato da tre volani ortogonali e da un meccanismo di frenata ad impatto, basato su solenoidi. L'hardware è stato concepito ponendo un forte accento sulla modularità, impiegando componenti commerciali, una Raspberry Pi 5 per il controllo di alto livello e un'architettura software basata su ROS 2. Per governare la complessa dinamica del robot, è stato derivato un modello matematico completo basato sulla conservazione del momento angolare e su una formulazione a quaternioni. Viene inoltre proposta una strategia di controllo ibrida, che separa i comandi in anello aperto per le manovre impulsive (quali rotolamento e salto) da un sistema di controllo in anello chiuso per il bilanciamento su spigoli e vertici. Quest'ultimo implementa un controllore gerarchico non lineare a quaternioni combinato con un Linear-Quadratic Regulator (LQR). La dinamica del robot è stata modellata analiticamente e simulata numericamente per ottimizzare i parametri dell'algoritmo di controllo. Il prototipo fisico è stato sottoposto con successo a una rigorosa caratterizzazione sperimentale. Ciò ha permesso di identificare parametri di sistema, tra cui il rumore dei sensori, il ritardo di controllo, il baricentro, la matrice di inerzia e i coefficienti di attrito dei volani. Questo lavoro fornisce un framework hardware e software completo, ponendo le basi per i futuri test fisici di bilanciamento e locomozione.