Design and Control of a Transformable Anthropoid Robot for Underwater Works

Résumé

Los trabajos submarinos realizados en estructuras sumergidas requieren dispositivos para el manejo de equipos y herramientas tanto en aplicaciones offshore como de interior. Los vehículos submarinos teledirigidos se han utilizado durante décadas para realizar operaciones submarinas con cierto grado de telepresencia, utilizando uno o más manipuladores. Sin embargo, cuando las tareas se tornan complejas es necesaria la inmersión humana. Aparte de los riesgos para la salud relacionados con la presión, existen una serie de peligros asociados a los trabajos realizados en ambientes submarinos hostiles. Además, dichos trabajos solo son posibles mediante el uso de máquinas a partir de cierta profundidad. Este trabajo de investigación se basa en la idea de que la robótica humanoide puede contribuir considerablemente a solventar estos problemas, proporcionando buzos robotizados para trabajos submarinos peligrosos. Como prueba de concepto, un novedoso robot humanoide submarino llamado DiverBot se desarrolla a lo largo de esta tesis, haciendo hincapié en aspectos de diseño y control. El diseño del robot se inspira en las proporciones de los chimpancés y presenta la capacidad de transformarse entre dos modos funcionales diferentes i.e., modo antropoide y modo vehículo. Los brazos y piernas del robot son movidos por accionamientos hidráulicos, mientras que el robot es impulsado mediante propulsores eléctricos. Un sistema software es implementado mediante un controlador de tiempo real para la gestión de sensores y accionamientos del robot. Se propone un análisis de estabilidad estática para la locomoción cuadrúpeda en condiciones submarinas basado en un método de la teoría de torsores. El problema de regulación de consigna en modo vehículo se resuelve mediante un esquema de control basado en asignación óptima de errores y controladores lineales. Los resultados experimentales muestran un correcto funcionamiento del prototipo en condiciones reales, abriendo nuevos horizontes a futuras aplicaciones en tareas cada vez más complejas. En este sentido, los buzos robotizados podrían ser una nueva generación de máquinas para trabajos submarinos y su desarrollo será, sin duda, uno de los retos de la robótica aplicada en los próximos años. ABSTRACT The underwater works performed on submerged structures require devices for handling equipment and tools in both offshore and inland applications. Remotely operated vehicles have been used since decades to perform underwater operations with some degree of telepresence, using one or more manipulators. However, when the tasks become complex human immersion is needed. Apart from the health hazards related with pressure, there exists a number of risks associated to operations realized in hostile underwater environments. Moreover, beyond certain depth underwater works are not possible for humans without using machines. This research work builds on the idea that humanoid robotics can broadly contribute to solve this problem, providing robotic divers for dangerous underwater works. As a proof of concept, a novel underwater humanoid robot named DiverBot is developed along this thesis, focusing on design and control aspects. Robot design is inspired by the proportions of chimpanzees, and presents the capability to transform between two different functional configurations i.e., anthropoid and vehicle modes. The arms and legs of the underwater robot are driven by hydraulic actuators, while electric thrusters are used for propulsion. A software system is implemented using a real-time controller to manage the sensors and actuators of DiverBot. A static stability analysis is proposed for quadrupedal locomotion in underwater conditions based on a screw theory method. The setpoint regulation problem is solved for vehicle configurations by means of a control strategy based on optimal allocation of errors and linear controllers. The experimental results show a correct performance of the prototype in underwater conditions, opening new horizons to potential applications of DiverBot for increasingly complex missions. In this way, robotic divers could be the next generation of machines for underwater works, and its development will be certainly one of the challenges of applied robotics in the coming years.