l'abilitá di volare"
La ricerca sugli umanoidi si concentra solitamente sulla manipolazione e sulla locomozione terrestre bipede. Tuttavia, riteniamo che questi robot potrebbero trarre vantaggio anche dalle capacità di locomozione aerea per applicazioni specifiche come la risposta alle catastrofi, una direzione di ricerca ancora inesplorata per gli umanoidi. Pertanto, definiamo la robotica umanoide aerea come il risultato di piattaforme con le seguenti capacità:
- Locomozione aerea: per eseguire ispezioni all'aperto e spostarsi da un edificio all'altro;
- Locomozione a contatto: per eseguire ispezioni in interni e salire le scale;
- Manipolazione: per aprire porte, spostare oggetti e chiudere valvole.
Svolgiamo attività di ricerca in diverse direzioni per implementare la robotica umanoide aerea sul robot umanoide iCub.
Progettazione CAD
Portiamo avanti le nostre attività di ricerca con il robot umanoide volante iRonCub. Ricerchiamo come migliorare la progettazione meccanica del robot umanoide per farlo volare in modo efficace.
Abbiamo progettato un modello CAD del robot utilizzando PTC Creo, che viene continuamente migliorato in base al feedback degli esperimenti reali. La versione attuale è iRonCub MK3. Utilizziamo una procedura semiautomatica di generazione di URDF dal modello CAD per recuperare informazioni aggiornate sulla cinematica e sulla dinamica. Utilizziamo il modello URDF per la pianificazione, il controllo, la stima e le simulazioni.
iRonCub
Disponiamo di due prototipi di iRonCub, costruiti sulla base di iCub v2.5 e v3.0. Entrambe le versioni hanno quattro motori a reazione, due montati sulle braccia e due su un jetpack attaccato alla schiena del robot. Attualmente gli esperimenti sono condotti con iRonCub MK3.
Per supportare i motori esterni sono state necessarie modifiche al design dell'hardware di iCub, come lo sviluppo di una nuova spina dorsale in titanio e l'aggiunta di coperture resistenti al calore per la protezione termica.
iRonCub MK3 con i motori a reazione pesa circa 70 kg. Le turbine possono fornire una forza di spinta massima di oltre 1000N e la temperatura di scarico raggiunge i 600 gradi.
PIANIFICAZIONE E CONTROLLO
Pianificatore di traiettorie
Un compito impegnativo nella robotica umanoide aerea consiste nel pianificare le traiettorie di volo e di camminata e le transizioni tra camminata e volo.
Per affrontare questo problema, abbiamo progettato un algoritmo di pianificazione delle traiettorie basato sulla quantità di moto con Python, implementato tramite un approccio diretto a tiro multiplo. Il pianificatore è stato convalidato in simulazione e sarà testato sul robot reale.
Controllo del volo
Abbiamo progettato algoritmi di controllo per regolare l'assetto e la posizione del robot umanoide durante il volo. La progettazione del controllo si basa sull'ottimizzazione della programmazione quadratica vincolata e la solidità teorica degli algoritmi proposti è verificata tramite l'analisi di Lyapunov. Il framework è generalizzato per funzionare indipendentemente dal numero di turbine a getto installate sul robot. Inoltre, garantisce la conformità ad alcuni vincoli fisici associati al robot e ai motori a reazione.
Le simulazioni sono effettuate con C++ e Gazebo. Il controllore C++ viene anche testato durante gli esperimenti con il robot reale.
Stima della posa di base
La localizzazione del robot nello spazio è essenziale per un robot volante come iRonCub. Attualmente stiamo sviluppando un algoritmo di fusione di sensori in C++ per stimare la posizione e l'orientamento del robot nello spazio. Ci affidiamo all'IMU di bordo e al Real Sense situato sul petto del robot.
Motori a reazione e stima della spinta
Per testare efficacemente il nostro controllo di volo e il pianificatore durante gli esperimenti reali del robot, dobbiamo condurre attività di ricerca per modellare e identificare le turbine del jet. Per questo motivo, abbiamo sviluppato un sofisticato banco di prova per determinare la relazione input/output dei motori a reazione. La stima e il controllo della spinta sono implementati sulla base dei modelli di turbina identificati e dei dati di feedback delle turbine, come il numero di giri al minuto (RPM) e la tensione della pompa. Vogliamo anche includere sensori e modelli robotici nel nostro algoritmo di stima per migliorare ulteriormente la stima della spinta durante il volo.
AERODINAMICA
Simulazione CFD
L'aerodinamica di un singolo corpo rigido è una questione complessa. Di conseguenza, affrontare l'aerodinamica di un sistema multicorpo - come è un robot umanoide volante - lascia poco spazio a espressioni in forma chiusa degli effetti aerodinamici, e non è quello che ci proponiamo di fare. Pertanto, il nostro approccio alla valutazione degli effetti aerodinamici sul robot umanoide volante consiste nell'eseguire simulazioni CFD con Ansys Fluent e nell'estrarre un modello semplificato da utilizzare nella progettazione del controllo.
Esperimenti in galleria del vento
Stiamo sperimentando il vero iRonCub in una galleria del vento del Politecnico di Milano. Questa attività mira a convalidare le simulazioni CFD e a raccogliere dati importanti. È la prima volta che un robot umanoide viene testato in una galleria del vento.
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