Desarrollo de topología de estados de control basados en el paradigma GEMMA aplicada a robots cuadrúpedos submarinos

• Autores: Miguel Ángel Pérez Bayas
• Directores de la Tesis: Roque Saltarén (dir. tes.)
• Lectura: En la Universidad Politécnica de Madrid ( España ) en 2023
• Idioma: español
• Tribunal Calificador de la Tesis: Manuel Ferre Pérez (presid.), Francisco Javier Badesa Clemente (secret.), Lisandro Puglisi (voc.), José María Sabater Navarro (voc.), Eugenio Yime Rodríguez (voc.)
• Programa de doctorado: Programa de Doctorado en Automática y Robótica por la Universidad Politécnica de Madrid
• Calificación: Sobresaliente Cum Laude
• Materias:
  • Ciencias tecnológicas
    • Tecnología de los ordenadores
    • Tecnología de la instrumentación
      • Tecnología de la automatización
      • Ingeniería de control
• Enlaces
  • Tesis en acceso abierto en: Archivo Digital UPM
• Resumen

  • La exploración subacuática es realizada principalmente por dos tipos de dispositivos: los vehículos operados remotamente ROVs y los vehículos subacuáticos autónomos, AUVs, los cuales requieren un gran despliegue de infraestructura para su navegación y desplazamiento. Con el avance tecnológico han sido desarrolladas nuevas tecnologías enfocadas en nuevas formas de desplazamiento para la exploración, como la caminata, y en donde la biomecánica subacuática ha sido analizada para poder ser replicada en su locomoción. Los robots hexápodos han sido desarrollados a partir de la semejanza que presentan con los crustáceos y la estabilidad que presentan durante la marcha en el fondo subacuático; estos sistemas poseen extremidades con determinada disposición y características específicas y que en términos de hardware e instrumentación requeridos para el movimiento y control de todas sus extremidades, pueden ser muy costosos. Siguiendo la reciente evolución de los robots cuadrúpedos terrestres, de la reducción de los costes del hardware, el aumento de las capacidades de cómputo/comunicación, y el desarrollo de nuevos y eficientes actuadores, esta tecnología ha sido ampliamente desarrollada y divulgada, y sus capacidades pueden ser explotadas e innovadas en la creación de un sistema robótico cuadrúpedo-caminante para la exploración subacuática, con menores costes y mejores características que un sistema hexápodo al disminuir sus extremidades. Un reto sería entonces, conseguir la estabilidad del robot durante la marcha y durante los movimientos que pueda realizar en el entorno subacuático, en donde se presentan tres situaciones a resolver: las fuerzas y torques hidrodinámicos, la influencia del suelo subacuático sobre el movimiento del robot y los pares requeridos en las articulaciones para lograr una marcha normal. Además, se debe definir la estrategia para controlar el tipo de movimiento que realizará el sistema, atendiendo la biología cuadrúpeda propuesta. Este trabajo muestra el desarrollo e implementación de un robot cuadrúpedo caminante, diseñado bajo estos tres requerimientos, implementados en una estrategia de control de los estados de movimiento. En el Capítulo 2 se hace una revisión de la literatura especializada en los tópicos antes mencionados para determinar la geometría y las características que debe poseer el robot. En el Capítulo 3 se muestra el modelo CAD del robot y su verificación estructural a carga estática, y luego el cálculo cinemático requerido para la implementación de los estados de movimiento. El Capítulo 4 muestra el modelado hidrodinámico y los resultados del torque que se requiere para vencer estos fenómenos, mediante una simulación CFD en un entorno subacuático específico. El Capítulo 5 muestra un modelo multicuerpo del suelo y de la marcha subacuática usando las herramientas de software especializadas, para determinar los torque en cada articulación activa del robot. El Capítulo 6 presenta el prototipo de robot construido, la arquitectura de hardware y software usados para su implementación, y los resultados de posición angular obtenidos durante la marcha. En el Capítulo 7 se muestra el planteamiento del control basado en la definición de la estructura de control motora en el sistema nervioso de los animales vertebrados, su relación con las arquitecturas de hardware y software, mediante una topología de estados, organizados mediante una Máquina de Estados finita que cumple con los requerimientos estandarizados de un Grafcet y de un modelo GEMMA para su implementación formal. El trabajo termina en el Capítulo 8, presentando las conclusiones y futuros trabajos que pueden ser desarrollados. Al final, esta investigación es una real muestra de la implementación de un sistema robótico que puede mejorarse y servir como plataforma base para el desarrollo de futuras implementaciones en el campo de la exploración subacuática.