Locomoção dinâmica quadrúpede: uma abordagem bio-inspirada baseada no controle hierárquico

Abstract

A naturalidade encontrada na locomoção com pernas reflete a progressiva evolução, ao longo de milhões de anos, de um sistema especializado para locomoção no ambiente terrestre. As condições impostas para sobrevivência nesse ambiente, como a necessidade por compensação ativa para o efeito da gravidade e as subsequentes alterações morfológicas e comportamentais geradas no processo de seleção natural, integram os principais aspectos que fundamentam as inúmeras sutilezas encontradas na locomoção terrestre. Incorporar aspectos presentes na locomoção com pernas em criações artificiais possibilitaria atribuir maior agilidade à movimentação em ambientes feitos para locomoção humana, expandindo a quantidade de atividades passíveis de serem executadas em comparação com a abordagem tradicional, amplamente difundida, utilizando a locomoção sobre rodas. Este trabalho busca integrar os elementos que fundamentam a locomoção animal, seguindo o viés da bio-inspiração, objetivando desenvolver uma estratégia baseada no controle hierárquico capaz de instituir a locomoção dinâmica estável em um robô quadrúpede. Os sistemas propostos são implementados no ambiente de simulação Matlab/Simulink, sendo realizados ensaios para validação dos princípios de operação dos controladores de níveis hierárquicos distintos, tanto de forma isolada quanto integrada, e avaliação do desempenho em situações mais próximas da realidade. Os resultados evidenciaram o bom desempenho isolado das estratégias propostas, sendo possível identificar os respectivos aspectos que cada uma incorpora para alcançar a locomoção quadrúpede. Quando completo, compondo o controle hierárquico, o sistema apresentou reduzidos índices de performance e elevados esforços induzidos nos atuadores, indicando eventuais limitações do sistema proposto. Por fim, são sugeridos elementos que podem ser levados em consideração para melhorar o desempenho apresentado pelo sistema, bem como viabilizar a sua implementação prática, passível de ser melhor explorada em trabalhos futuros.

The naturalness found in legged locomotion reflects the progressive evolution, over millions of years, of a specialized system for terrestrial locomotion. The imposed conditions for survival in this environment, as the need for active gravity compensation and the subsequent morphological and behavioral changes generated in the natural selection process, integrate the main aspects that substantiate the many subtleties found in terrestrial locomotion. Incorporating existing aspects of legged locomotion in artificial creations would allow for more agile movement in environments made for human locomotion, expanding the number of feasible activities in comparison with the traditional widespread approach employing wheeled locomotion. This work seeks to integrate the elements that substantiate animal locomotion, following a bio-inspired approach, aiming to develop a strategy based on hierarchical control capable of establishing dynamic stable locomotion in a quadruped robot. The proposed systems are implemented in the Matlab/Simulink simulated environment, having tests being carried out to validate the distinct hierarchical level controllers' operating principles, both in isolation and integrated, and evaluate their performance in scenarios closer to reality. The results point towards a good performance of the proposed strategies in isolation, allowing for the recognition of the respective aspects that each incorporates in order to achieve quadruped locomotion. When complete, composing the hierarchical control, the system presented reduced performance indexes and high induced efforts in the actuators, indicating possible limitations of the proposed system. Lastly, elements that could be considered to improve the system performance and enable its practical implementation, to be better explored in future works, are suggested.