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Control aspects for active safe-falling of humanoid robots
No full textLAUREA MAGISTRALEIn questo progetto ci si è proposti di trovare una logica di controllo attiva per la caduta sicura (safe-falling) di un robot umanoide. Il problema può essere suddiviso in due sotto categorie che vanno trattate indipendentemente: cambio di direzione di caduta e minimizzazione del danno. Mentre la prima è rivolta alla salvaguardia dell'ambiente circostate, la seconda si concentra sulla protezione dell'umanoide stesso e limita i danni da caduta.
Il progetto si concentra maggiormente sulla minimizzazione del danno di caduta. Successivamente è stato svolto una lavoro preliminare volto a dimostrare la possibilità di cambiare la direzione di un robot in caduta senza l'applicazione di forze esterne.
Il robot è stato modellizzato come un pendolo inverso la cui massa è interamente concentrata nel centro di massa posto all'estremità libera del pendolo stesso. Dopo aver trovato una relazione tra il valore della forza e quello della velocità di impatto, è stata svolta un'ottimizzazione volta a calcolare la traiettoria nel centro di massa per cui si ha minimizzazione della velocità di impatto. Successivamente, la forza minimizzata è stata distribuita sul maggior numero di punti di contatto possibile con il fine di diminuire localmente l'entità dell'impatto.
L'ottimizzazione è stata risolta grazie alla linearità della funzione Hamiltoniana rispetto la legge di controllo, limitata tra un valore minimo e massimo. La legge di controllo ottimale risulta essere dunque una logica bang-bang il cui numero e posizione temporale degli switch è stato calcolato per via numerica.
Il cambio di direzione di caduta è stato affrontato modelizzando nuovamente il robot come un pendolo inverso con l'aggiunta di una ruota inerziale capace di ruotare attorno l'asse del pendolo stesso. In particolare, la ruota modellizza il comportamento della parte superiore del corpo dell'umanoide che ruota attorno il suo tronco. Con questo si voleva dimostrare che, in un caso semplice in cui l'inerzia del robot e la lunghezza del pendolo sono costanti nel tempo, è possibile raggiungere l'obiettivo generando un momento angolare tramite la rotazione della ruota stessa.The aim of the project is to design an active controller for the safe-falling of a humanoid robot. The problem can be split in two sub-sections: direction-changing and damage minimization. While the first aims to the protection of the working environment, the second focuses on the safeguard of the humanoid itself, minimizing the damages coming from the impact with the ground.
This project is mainly focused on the damage minimization. Later, a preliminary work is done aimed to demonstrate the possibility to change the falling direction of a humanoid without any external force applied.
The tipping robot has been modelized using an inverted pendulum model whose mass is all concentrated in its center of mass. First, a relationship between the impact force and the impact velocity has been found. Then, it was solved an optimization problem in order to find the best trajectory for the center of mass that minimizes the impact velocity. In the end, the minimized impact force has been distributed among the highest possible number of contact points in order to locally decrease the magnitude of the impact.
The optimization problem has been solved thanks to the linearity between the Hamiltonian function and the control function, which is also bounded between a maximum and minimum value. Thus, the optimal control law is a bang-bang control whose number and time-position of the switches has been calculated numerically.
For the direction-changing controller, the robot has been modelized again with an inverted pendulum with a reaction wheel fixed on the free extremity that can rotate around the axis of the pendulum itself. In particular, the wheel modelizes the behavior of the upper body of the humanoid that rotates around its torso. With this model, in the simplified case in which the inertia of the wheel and the length of the pendulum are considered constant in time, it is possible to accomplish the task generating an angular momentum with the rotation of the wheel itself
Planning of loco-manipulation tasks for a multi-arm space robot
No full textLAUREA MAGISTRALEGli importanti sviluppi nell'industria dello spazio degli anni scorsi stanno conducendo alla soglia di una nuova generazione di grandi strutture spaziali. Tali strutture devono essere lanciate in parti e dispiegate sul posto. Una tecnologia chiave per una implementazione efficiente di produzione e assemblaggio in orbita su larga scala è la robotica. Questi concetti possono apportare notevoli vantaggi per le missioni spaziali nel prossimo futuro, tuttavia sono necessari strumenti di pianificazione del moto all'avanguardia per operare efficacemente i sistemi robotici.
Lo scopo della tesi è pertanto di proporre un approccio per la pianificazione del moto per un sistema robotico semovente e multi-braccio. Il robot è costituito di due braccia ed un torso, per un totale di 15 gradi di libertà. Equipaggiato di tre end effector, ognuno dei quali presenta un sistema di accoppiamento grazie al quale il robot può interagire con il mondo. L'approccio proposto consta di due layer, una pianificazione di massima delle sequenze di contatti, e una pianificazione di dettaglio delle traiettorie per eseguire la sequenza di contatti. Un ulteriore layer aggiuntivo valida il risultato. Il motion planner fornisce piani separatamente per la locomozione, per la manipolazione e per obiettivi di loco-manipolazione combinata. La pianificazione dei contatti è effettuata tramite metodi di ottimizzazione numerica e ricerca dei grafi. La pianificazione di traiettorie geometriche si avvale di strumenti della cinematica e di algoritmi rapidly growing random tree. Infine, le traiettorie nel tempo sono costruite con la tecnica delle linee e parabole.
Gli algoritmi sono testati in simulazione. Si rinviene che lo strumento sviluppato opera come desiderato in una grande varietà di casi e risulta in grado di gestire diversi robot, ambienti e un vasto insieme di obiettivi in ingresso. Il tempo di elaborazione è idoneo ad un uso offline. L'esito della pianificazione è un piano di moto dettagliatamente caratterizzato, con istruzioni per tutti i dispositivi attuativi del sistema. Tale piano è localmente ottimale, validato tramite simulazione e soddisfa tutti i vincoli considerati nel problema.Significant developments of the space sector in recent years are now leading space technology on the brink of a new generation of large space structures. Those structures must be launched in pieces and deployed in situ. A key technology to allow large-scale cost-effective on-orbit manufacturing and assembly is autonomous robotics. These concepts may bring relevant advantages for space missions in the near future, but cutting-edge motion planning tools are necessary to effectively operate robotic manipulators.
The aim of this thesis is therefore to propose an approach for the motion planning of a robotic self-relocatable multi-arm system. The system is made of two arms mounted on a torso, summing up to a total of 15 degrees of freedom. It features three end effectors. Each end effector is equipped with a standard latching interface, that allows interaction with the world, both for locomotion and manipulation. The proposed approach consists of two layers of planning, a high-level planning of the contact sequence, and a low-level planning of the trajectories that perform the contact sequence. A final additional layer consists of the validation of the output. The motion planner provides plans for single locomotion and manipulation tasks, as well as combined loco-manipulation tasks. The contact planning is performed with numerical optimization and graph search methods. The path planning relies on kinematic tools and rapidly growing random trees. Eventually, trajectories are constructed with the lines and parabolas technique.
The algorithms are tested in simulation. It is found that the developed motion planner works as desired in a great variety of cases. It handles different robots, environments and a large set of input tasks. The computing time is suitable for offline use. The outcome of the planning is a fully characterized motion plan, comprising instructions for all actuating devices of the system. It is locally optimal, simulation-validated and compliant with all the considered constraints of the problem
Going Beyond Counting First Authors in Author Co-citation Analysis
Full text linkThe present study examines one of the fundamental aspects of author co-citation analysis (ACA) - the way co-citation
counts are defined. Co-citation counting provides the data on which all subsequent statistical analyses and mappings
are based, and we compare ACA results based on two different types of co-citation counting - the traditional type that
only counts the first one among a cited work's authors on the one hand and a non-traditional type that takes into
account the first 5 authors of a cited work on the other hand. Results indicate that the picture produced through this non-traditional author co-citation counting contains more coherent author groups and is therefore considerably clearer. However, this picture represents fewer specialties in the research field being studied than that produced through the traditional first-author co-citation counting when the same number of top-ranked authors is selected and analyzed. Reasons for these effects are discussed
Comparative analysis of push recovery strategies for humanoid robots
No full textLAUREA MAGISTRALETra le varie strategie che un robot umanoide, in caso di spinte esterne,
può mettere in atto per evitare una caduta, la più efficace è compiere un
passo. Questa tesi si concentra perciò sull’implementazione e lo studio
di tale strategia basandosi sulla piattaforma TORO, un robot umanoide
sviluppato presso l’Agenzia Aerospaziale Tedesca.
Viene presentato il concetto di catturabilità come misura di stabilità
durante il compimento del passo. Inoltre, vengono analizzati e messi
a confronto diversi modelli semplificati per il recupero dell’equilibrio
attraverso il passo in avanti.
A questo proposito, il robot segue un percorso di decisione gerarchico
che lo porta a scegliere quale strategia utilizzare. Per questo vengono
trattati ed analizzati gli algoritmi attraverso i quali il robot stabilisce
se compiere o meno il passo, sceglie dove posizionare il piede una volta
deciso di fare il passo e infine quelli attraverso i quali calcola le traiettorie
per gli end-effectors principali. Quest’ultima operazione viene fatta
attraverso gli algoritmi di Model Predictive Control e Divergent Component
of Motion. Viene inoltre descritto il controllore utilizzato sul robot
TORO. Infine, i risultati ottenuti vengono valutati attraverso la simulazione
del comportamento del modello sul software OpenHRP. La tesi
si conclude con le valutazioni circa la fattibilità dell’implementazione
sull’hardware reale.Among the different strategies used to prevent a humanoid robot from
falling, when external disturbances are applied, the most effective one
is the stepping strategy. The aim of this thesis is therefore, to contribute
towards the implementation of such capabilities on the TORO
robot, a humanoid platform at the German Aerospace Centre. This
work presents the capturability-based analysis as a definition of stability
during stepping, which is also used for selecting the number of steps
necessary for the push recovery. Various analysis and comparisons are
done on simplified models for single step recovery strategies.
A hierarchical approach is followed towards selecting the most convenient
push recovery approach. Models and in-depth analysis are therefore
presented for triggering the step, deciding which stepping strategy
is necessary and online generation of the trajectories through Model
Predictive Control and the Divergent Component of Motion methods.
Then, a passivity-based full body controller is presented capable of
following the desired reference trajectories. The previous methods are
applied and evaluated, together with the physical model of the robot
in the OpenHRP simulation environment. Finally, considerations are
made on the results obtained through simulation and their applicability
on the real hardware
Influence of leg elasticity on the locomotion behaviour of a quadrupedal robot
No full textLAUREA MAGISTRALEDiversi modelli quadrupedi aventi parametri costanti sono stati introdotti per semplificare l’analisi dei moti periodici per tale tipologia di locomozione. Tuttavia, in biologia è stato osservato come gli animali adottino una rigidezza delle gambe variabile con la velocità di locomozione. Ulteriori studi mostrano che la stabilità della locomozione è regolata dalla scelta dai parametri del modello. La domanda di ricerca della tesi è: Come influisce l’elasticità delle gambe sulla stabilita di locomozione? Per rispondere a tale domanda è stata svolta un’analisi dei gait emergenti da un modello quadrupede con anca e gambe elastiche. Tramite l’utilizzo di tale modello è possibile caratterizzare i gait più comunemente osservati in natura. Una dettagliata analisi di stabilità è stata svolta sui gait scoperti per caratterizzare l’influenza di eventuali perturbazioni. Inoltre, è stata svolta un ottimizzazione volta alla ricerca dei parametri che garantissero la stabilità ottimale. L’analisi ha dimostrato che l’incremento della rigidezza delle gambe con la velocità orizzontale assieme alla massima frequenza di oscillazione ammissibile, sia in grado di aumentare notevolmente la stabilità di locomozione in un vasto range di velocità, riducendo al contempo le oscillazioni del tronco. Tale risultato può essere utilizzato nella realizzazione di una nuova generazione di robot quadrupedi elastici sostituendo gli attuatori a rigidezza costante con attuatori a rigidezza variabile.Different quadrupedal template models with fixed parameters have been introduced to facilitate the analysis of limit-cycle motions for this type of locomotion. However, biology shows that animals use a leg stiffness that changes with the locomotion velocity, and other studies show that the stability of the gait is dictated by the parameters choice. The research question of this thesis is: How does variable leg elasticity influences the stability of a quadrupedal gait? To answer that question, a detailed characterization of the emerging gaits from a model with compliant legs and shoulder joints represented as torsional springs is carried out. This model can be used to characterize the most common quadrupedal gaits observed in nature. A detailed analysis of the stability, which helps to understand the influence of perturbations on the locomotion, is performed for the obtained gaits. Furthermore, a parametric optimization has been implemented to search for the system parameters that guarantee maximum gait stability. The analysis shows that the adoption of a leg stiffness that increases with the speed of locomotion, together with the highest feasible leg swing frequency, noticeably increases the gait stability over a wide range of horizontal velocities while reducing the oscillations of the trunk. This insight can be applied in the design of novel elastic quadrupedal robots, where constant stiffness actuators could be replaced with variable stiffness actuators to improve the overall locomotion behavior
Variations on the Author
Full text link“Variations on the Author” discusses two of Eduardo Coutinho’s recent films (Um Dia na Vida, from 2010, and Últimas Conversas, posthumously released in 2015) and their contribution to the general question of documentary authorship. The director’s filmography is characterized by a consistent yet self-effacing form of authorial self-inscription: Coutinho often features as an interviewer that rather than express opinions propels discourses; an interviewer that is good at listening. This mode of self-inscription characterizes him as an author who is not expressive but who is nonetheless markedly present on the screen. In Um Dia na Vida, however, Coutinho is completely absent form the image, while Últimas Conversas, on the contrary, includes a confessional prologue that moves the director from the margins to the center of his films. This article examines the ways in which these works stand out in the filmography of a director who offers new insights into the notion of cinematic authorship
Appropriate Similarity Measures for Author Cocitation Analysis
Full text linkWe provide a number of new insights into the methodological discussion about author cocitation analysis. We first argue that the use of the Pearson correlation for measuring the similarity between authors’ cocitation profiles is not very satisfactory. We then discuss what kind of similarity measures may be used as an alternative to the Pearson correlation. We consider three similarity measures in particular. One is the well-known cosine. The other two similarity measures have not been used before in the bibliometric literature. Finally, we show by means of an example that our findings have a high practical relevance.information science;Pearson correlation;cosine;similarity measure;author cocitation analysis
Dispelling the Myths Behind First-author Citation Counts
Full text linkWe conducted a full-scale evaluative citation analysis study of scholars in the XML research field to explore just how different from each other author rankings resulting from different citation counting methods actually are, and to demonstrate the capability of emerging data and tools on the Web in supporting more realistic citation counting methods. Our results contest some common arguments for the continued
use of first-author citation counts in the evaluation of scholars, such as high correlations between author rankings by first-author citation counts and other citation
counting methods, and high costs of using more realistic citation counting methods that are not well-supported by the ISI databases. It is argued that increasingly available digital full text research papers make it possible for citation analysis studies to go beyond what the ISI databases have directly supported and to employ more
sophisticated methods
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