Mobility and Motion Modelling of Pendulum-Driven Ball-Robots: Decoupled Models for Steering and Obstacle Crossing
Loading...
Journal Title
Journal ISSN
Volume Title
School of Electrical Engineering |
Doctoral thesis (monograph)
| Defence date: 2017-11-10
Unless otherwise stated, all rights belong to the author. You may download, display and print this publication for Your own personal use. Commercial use is prohibited.
Author
Date
2017
Major/Subject
Mcode
Degree programme
Language
en
Pages
251
Series
Aalto University publication series DOCTORAL DISSERTATIONS, 177/2017
Abstract
During the last two decades, mobile ball-shaped robots have gained an increasing interest among researchers, mathematicians, robot engineers, and public. Ball-robot provides an interesting research case to study rolling kinematics, advanced modelling and control problems, as well as interaction and communications between humans and mobile robots. While the first patents on self-propelled spherical toys were filed already in the end of the 19th century, commercial spherical robots have been lately introduced in the market for surveillance, entertainment, and gaming applications. The motivation behind this study anticipates a domestic rolling robot providing observation and surveillance at home or in industrial environment. In development of a ball-robot, dynamic modelling is essential in evaluation and prediction of robot performance, as well as in controller development, path planning, and decision making. This thesis studies decoupled forward rolling models and steering models of pendulum-driven ball-shaped robots. Customarily, a decoupled steering model assumes between the ball and rolling plane a point contact and restricted ball spinning, which leads to a kinematic motion model. Considering ball-robot inertia and non-symmetry, this thesis introduces a new dynamic precession model and compares the simulated rolling paths of the dynamic and kinematic steering models. In addition, another new dynamic precession model is presented to consider a non-zero contact area and to evaluate the conditions where no-spinning constraint is applicable. Regarding the forward motion model, this work collects the decoupled models available in the literature and reformulates them with a unified notation and formulation. The unified presentation allows easy comparison and application of the existing models. A detailed discussion is dedicated for the application of pendulum motor reaction torque within different model formulations. To design a spherical robot to surpass obstacles it may encounter during its operation, there exists a need to estimate the dynamic step-overcoming capability of the robot. Customarily, a quasi-static analysis has been conducted to evaluate the slope-climbing and step-crossing capability of a ball-shaped robot, but this approach seriously underrates the robot's dynamic step-crossing capability. This work introduces new simplified contact models for rigid-shelled and flexible-shelled ball-robots when in contact with a step-shaped obstacle. The contact models are implemented together with the decoupled forward rolling model, and the robot's step-overcoming capability is evaluated through simulations. The simulation results are validated with practical step-overcoming tests on free-rolling and pendulum-driven balls.Kuluneen runsaan kahdenkymmenen vuoden aikana pallonmuotoiset liikkuvat robotit ovat herättäneet kasvavaa kiinnostusta niin tutkijoiden, matemaatikkojen, insinöörien kuin yleisönkin keskuudessa. Pallorobotti sovelluksineen tarjoaa mielenkiintoisen ja haastavan tutkimuskohteen, mihin sisältyy muun muassa vierivän kappaleen kinematiikkaa ja dynamiikkaa, systeemin mallintamista, säätöteoriaa, sekä ihmisen ja robotin välistä vuorovaikutusta. Tämän tutkimuksen innoittajana toimii visio kotioloissa toimivasta pallonmuotoisesta seura- ja valvontarobotista, jonka suunnittelussa ja ohjaamisessa tarvittavia malleja ja menetelmiä työssä tutkitaan. Pallorobotin liikettä kuvaavat dynaamiset mallit ovat tarpeellisia robottien kehitystyössä, robotin suorituskyvyn arvioinnissa, säätöalgoritmien määrittämisessä sekä radansuunnittelussa. Tässä työssä tutkitaan heiluriohjatun pallorobotin eroteltuja vierintä- ja ohjausmalleja. Erotellut vierintä- ja ohjausmallit eroavat täydestä mallista siten, että eteenpäin vievää vierintäliikettä sekä pallon vierintäsuuntaa muuttavaa ohjausliikettä tutkitaan toisistaan erillään ja riippumattomina. Tällä menettelyllä saatavat dynaamiset mallit ovat yksinkertaisempia, kuin täyteen malliin liittyvät. Kirjallisuudessa usein esitetty pallorobotin eroteltu ohjausmalli olettaa pistemäisen kosketusgeometrian pallon ja sen vierintätason välille. Tämän lisäksi pallon pyörimisnopeus vertikaalin akselin ympäri usein asetetaan nollaksi, minkä seurauksena pallon vierintärata on kinemaattisesti määrätty. Uutena lähestymistapana tämä työ esittelee dynaamisen ohjausmallin, joka huomioi pallon inertian ja mahdollisesti epäsymmetrisen massan jakauman. Toinen uusi esiteltävä malli sisältää pistemäisen kosketuksen sijasta nollaa suuremman kosketuspinta-alan. Tämän mallin avulla tutkitaan niitä ehtoja, millä pallon spin-nopeus voidaan olettaa nollaksi. Useat erilaiset kirjallisuudesta löytyvät erotellut vierintäliikkeen mallit kerätään tässä työssä yhteen ja harmonisoidaan esitysasun sekä merkintöjen suhteen yhtenäisiksi. Näin on helpompaa vertailla näitä malleja keskenään ja jatkossa myös helpompaa soveltaa kulloiseenkin tarkoitukseen parhaiten sopivaa mallia. Kotioloissakin liikkuvan pallorobotin on kyettävä ylittämään tavallisimpia vastaantulevia esteitä, kuten ovien kynnyksiä sekä mattojen reunoja. Näin jo robottia suunniteltaessa on tarpeen pystyä arvioimaan sen tulevaa esteenylityskykyä. Perinteisesti pallorobotin liikkumiskykyä on arvioitu kvasistaattisen tasapainon kriteerillä, mikä kuitenkin vakavasti aliarvioi robotin todellista dynaamista esteenylityskykyä. Tämä työ esittelee uusia yksinkertaistettuja kontaktimalleja niin jäykkäkuorisen kuin pehmeäkuorisenkin pallorobotin ja askeleenmuotoisen esteen välille. Mallien pätevyyttä arvioidaan simuloiden sekä kokeellisesti.Description
Supervising professor
Kyrki, Ville, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandThesis advisor
Halme, Aarne, Prof., Aalto University, Department of Electrical Engineering and Automation, FinlandKeywords
ball-robot, ball-shaped robot, spherical robot, rolling robot, mobile robot kinematics and dynamics, contact model, pallorobotti, pallonmuotoinen robotti, liikkuvat robotit, liikkuvien robottien kinematiikka ja dynamiikka, kontaktimalli
