Kinematic Analysis and Design of the HyReCRo Robot: a Serial- Parallel and Redundant Structure-Climbing Robot

Abstract

Three-dimensional vertical structures such as bridges, skeletons of buildings in the construction industry, or electrical and telecommunication towers, require inspection and maintenance tasks. These tasks imply important risks for the human operators that usually perform them, such as falling from heights. A solution to this problem consists in using climbing robots for performing such dangerous tasks. This thesis presents the kinematic analysis and design of the HyReCRo robot (Hybrid Redundant Climbing Robot), a robot designed for climbing threedimensional metallic structures. This robot is redundant and has a hybrid architecture, since it is composed of four 2RPR-PR parallel mechanisms serially connected. The main characteristic of this robot is that it can be driven by binary actuators in order to get closer to the basic postures necessary for exploring three-dimensional structures (namely: convex and concave plane transitions), finely adjusting later the pose of its grippers by means of continuous actuation, in order to adhere its grippers to the climbed structure. This mixed binarycontinuous strategy facilitates the control and movement planning of the robot, which usually are very complex tasks in structure-climbing robots. The present thesis is focused on the study of the HyReCRo robot as a continuously-actuated robot, with the purpose of using mixed actuation strategies in the future. In the first place, this thesis presents a complete kinematic analysis of the HyReCRo robot and of the parallel mechanisms that make up its legs. Regarding the kinematic analysis of these parallel mechanisms, this thesis demonstrates that these mechanisms can enlarge their workspace by switching between different assembly modes without traversing singularities. This occurs when enclosing special isolated singularities which are fourfold solutions of the forward kinematic problem of these parallel mechanisms. Regarding the kinematic analysis of the complete HyReCRo robot, this thesis solves both its forward and inverse kinematic problems, obtaining simple parameterizations of the 4- and 5- dimensional self-motion manifolds of this robot. These kinematic analyses are performed with the help of PaRoLa, a collection of graphical simulators developed specifically in the present thesis with the purpose of facilitating the kinematic analysis of parallel robots. The present thesis also presents the study of the workspace of the HyReCRo robot, with the purpose of designing this robot so that it can perform convex and concave plane transitions required for exploring structures. As a result of this workspace analysis, this thesis proposes two new methods for obtaining the workspace of redundant robots, like the HyReCRo robot.

Las estructuras verticales tridimensionales, como los puentes, los esqueletos de edificios en la industria de la construcción, o las torres eléctricas y de telecomunicación, requieren tareas de inspección y mantenimiento. Dichas tareas suponen riesgos importantes para los operarios humanos que las realizan habitualmente, como la caída desde altura. Una solución a este problema pasa por utilizar robots trepadores para desarrollar tales peligrosas tareas. Esta tesis presenta el análisis cinemático y diseño del robot HyReCRo (Hybrid Redundant Climbing Robot), un robot diseñado para trepar por estructuras metálicas tridimensionales. Se trata de un robot redundante y de arquitectura híbrida, formado por la conexión en serie de cuatro mecanismos paralelos de tipo 2RPR-PR. La principal característica de este robot es que puede ser accionado de forma binaria para aproximarse a las posturas básicas necesarias para explorar estructuras tridimensionales (a saber: transiciones convexas y cóncavas entre distintos planos de trabajo), ajustando posteriormente de forma fina la pose de sus garras mediante actuación continua para fijar sus garras a la estructura. Esta estrategia mixta binaria-continua facilita el control y la planificación de movimientos del robot, tareas que suelen ser muy complejas en robots trepadores de estructuras. Esta tesis se focaliza en el estudio del robot HyReCRo como robot accionado de forma continua, con el fin de poder operarlo mediante estrategias mixtas en el futuro. En primer lugar, esta tesis presenta un análisis cinemático completo del robot HyReCRo y de los mecanismos paralelos que forman sus patas. En cuanto al análisis cinemático de dichos mecanismos paralelos, en esta tesis se demuestra que éstos pueden ampliar su espacio de trabajo alternando entre distintos modos de ensamblado sin cruzar singularidades. Esto ocurre al rodear singularidades aisladas especiales que son soluciones cuádruples del problema cinemático directo de dichos mecanismos paralelos. En cuanto al análisis cinemático del robot HyReCRo completo, se resuelven en esta tesis sus problemas cinemáticos directo e inverso, obteniéndose parametrizaciones sencillas de las variedades de auto-movimiento 4- y 5-dimensionales de este robot. Estos análisis cinemáticos se realizan con la ayuda de PaRoLa, una colección de simuladores gráficos desarrollados específicamente en la presente tesis para facilitar el análisis cinemático de robots paralelos. La presente tesis también presenta el estudio del espacio de trabajo del robot HyReCRo, con el fin de diseñar este robot para que pueda realizar las transiciones convexas y cóncavas requeridas para explorar estructuras. Como resultado de este análisis del espacio de trabajo, se proponen en esta tesis dos nuevos métodos para determinar el espacio de trabajo de robots redundantes, como el robot HyReCRo.El primer método propuesto se trata de un método Monte Carlo mejorado, capaz de obtener las fronteras del espacio de trabajo con mucha más precisión que los métodos Monte Carlo preexistentes, requiriendo el mismo o menos tiempo de cálculo que dichos métodos. Dicho método se basa en hacer crecer de forma uniforme el espacio de trabajo mediante distribuciones aleatorias normales, hasta alcanzar las fronteras del mismo. El segundo método propuesto en esta tesis es un método capaz de obtener las fronteras y barreras interiores del espacio de trabajo de robots redundantes debidas a restricciones de colisión generales, que son difíciles de obtener mediante los métodos preexistentes, los cuales presentan dificultades notables para manejar tales restricciones de colisión. El método propuesto identifica el desvanecimiento de variedades de auto-movimiento del robot con la ocurrencia de barreras interiores, y consta de tres etapas. Primero, se muestrean densamente dichas variedades de auto-movimiento, descartando las muestras que no cumplen las restricciones de colisión. Seguidamente, se agrupan las muestras no descartadas mediante kd-trees, con el fin de identificar componentes disjuntas de dichas variedades. Por último, se comparan las variedades disjuntas identificadas en pares de puntos vecinos del espacio de trabajo, para determinar si alguna de dichas variedades se desvanece al viajar de un punto a su vecino. La aplicación de este método demuestra que las restricciones de colisión alteran drásticamente la distribución de barreras interiores dentro del espacio de trabajo.Finalmente, esta tesis concluye con el desarrollo de un prototipo totalmente funcional del robot HyReCRo. Dicho prototipo, que pesa 2.19 kg, utiliza garras magnéticas basadas en la tecnología de imanes permanentes alternables (switchable magnets), logrando una fuerza de adhesión de 33 kg por garra. Este prototipo ha sido validado con éxito en estructuras de acero reales.