DEVELOPMENT OF A MULTIPURPOSE ROPE CLIMBING ROBOT A dissertation submitted to the Department of Electrical Engineering, University of Moratuwa in partial fulfillment of the requirements for the degree of Master of Science By NANDUN DHARSHANA HEW APATHlRANA Supervised by: Prof. Lanka Udawatta Department of Electrical Engineering University of Moratuwa Sri Lanka 2010 94554 Abstract Wheeled vehicles or robots can achieve high speed locomotion with a relatively lower control complexity compared to other forms such as legged, hopping, or slithering robots. However, wheeled vehicles have several limitations on rough and uneven surfaces. For instance, wheel robots are much speedier than legged counterpart, but wheeled rope climbing robots are supposed to have very smooth ropes. Moreover, wheels come into contact with all details of the terrain causing higher energy losses in friction. More specifically, this causes higher losses on soft contact surfaces like a slacked rope. "Development of a multipurpose rope climbing robot" research is mainly focusing on developing a rope climbing robot that can be applied in various practical situations. Objective of this research is to design a four legged rope climbing robot that smoothly and steadily moves on a rope. Different mechanisms such as wheeled robot, brachalion robot, crawling type robots and different kind of legged robots have been developed to achieve this target and they have their own advantages and disadvantages. The proposed robot is a four legged robot and each leg has two degrees of freedom. One degree of freedom to rotate the leg forward and backward and second degree of freedom is for grip the rope by each leg. This robot is always grip the rope very steadily and moves on rope very smoothly. These two characteristics are important to carry a weight with a robot and easily can maintain an overall stability of the robot. The robot is planned to work on various situations and the nature of the rope or characteristics such as size of the rope, whether the rope vertical or horizontal directional and whether the rope is having some obstacles like knots or bend at some points on the rope. The robot is planned to have, the design is simple as possible and overall cost is minimized for use the robot in practical situations. For rescue operations, military operations, scientific researches operate on danger areas for humans and specific rope climbing operations can be achieved by the proposed robot. Results show the effectiveness of the proposed methodology and the practical implementation. Keywords: Rope climbing robot, Legged robot, Brachiation robot, Mobile robotic systems, Micro-robotics, Robot controllers, Crawling type robots D E C L A R A T I O N T h e w o r k s u b m i t t e d i n t h i s d i s s e r t a t i o n i s t h e r e s u l t o f m y o w n i n v e s t i g a t i o n . e x c e p t \ \ h e r e o t h e r w i s e s t a t e d . I t h a s n o t a l r e a d y b e e n a c c e p t e d f o r a n y d e g r e e , a n d i s a l s o n o t b e i n g c o n c u r r e n t l y s u b m i t t e d C o r a n y o t h e r d e g r e e . . . K D . l l c w a p a t h i r a n a W " e / 1 e n d o r s e t h e d e c l a r a t i o n h v t h e c a n d i d a t e . r • I I I / ; / P r o f : ' I " a n k a U d a w a t t a C o n t e n t s D c c l a i · a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i ' " \ h s t r a c t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . i v . A c k n o v v l e d g r n e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v L i s t o f F i g u r e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . v i 1 . I n t r o d u c t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 1 . 1 . S o c i a l a n d S c i e n t i f i c V a l u e o f t h e R e s e a r c h . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 I . 2 . A n a l y z e d R o b o t D e v e l o p m e n t s a n d R e s e a r c h e s . . ~ . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . : 1 2 . P r o b l e m S t a t e m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 8 2 . 1 . R e s e a r c h O b j e c t i v e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . l ) 2 . 2 . F a c i l i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . I 0 2 . 3 . F e a s i b i l i t y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 0 3 . H . e s e a r c h M e t h o d o l o g y . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 2 3 . 1 . R o b o t L e g C o n f i g u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 : 1 3 . 2 . R o b o t G r i p p e r C o n f i g u r a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 3 : 1 . 3 . R o b o t M o v e m e n t o n t h e R o p e . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 - 1 - 3 . 4 . R o b o t C o n t r o l S y s t e m . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 5 - l . T h e o r e t i c a l l ) e v e l o p m e n t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 1 6 - 1 - . 1 . 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P r o p o s e d S o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 5 . 1 . S i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 8 5 . 2 . T w o L i n k s R o b o t L e g S i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 2 9 5 . 3 . T h r e e L i n k s R o b o t L e g S i m u l a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 3 : 1 5 . 4 . R o b o t C o n t r o l Sy~tem . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 0 5 . 5 . R o b o t l m p l e m e n t a t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 3 6 . A p p l i c a t i o n s a n d R e s u l t s o f t h e d e v e l o p e d s o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - l 5 6 . 1 . A p p l i c a t i o n s o f t h e p r o p o s e d s o l u t i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 5 6 . 1 . 1 . R e s c u e o p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 5 6 . 1 . 2 . W o r k i n h a z a r d o u s e n v i r o n m e n t s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 5 6 . 1 . 3 . R e s e a r c h a c t i v i t i e s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . - 1 - 6 1 1 6 . 1 . 4 . F i e l d o p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f 6 6 . 1 . 5 . S e a r c h o p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f 6 6 . 1 . 6 . M i l i t a r y o p e r a t i o n s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f 6 6 . 2 . R e s u l t s a n d A n a l y s i s . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . f 7 7 . C o n c l u s i o n . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 8 H . c f c r c n c c s : . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 4 9 f \ P P E N l ) l X - A . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 P ! C l 3 A S I C c o d e C o r 2 l e g r o b o t . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . . 5 1 " ' 1 1 1 A c k n o w l e d g m e n t T h a n k s a r e d u e f i r s t t o m y p r o j e c t s u p e r v i s o r . P r o f e s s o r L a n k a U d a w a t t a a n d c o - p r o j e c t s u p e r v i s o r D r . T h r i s h a n t h a N a n a y a k k a r a . f o r t h e i r g r e a t i n s i g h t s . p e r s p e c t i v e s . g u i d a n c e a n d s e n s e o f h u m o r . I w o u l d l i k e t o s p e c i a l l y t h a n k h e a d o f t h e d e p a r t m e n t D r . J . P . K a r u n a d a s a a n d c o o r d i n a t o r D r . C h a n d i m a P a t h i r a n a . P r o f e s s o r S i s i I K u m a r a w a d u . D r . N a l i n W i c k r a m a r a c h c h i a n d D r . C h a n d i m a P a t h i r a n a p r o v i d e d m e v e r y v a l u a b l e c o m m e n t s a n d t h e i r f e e d b a c k a t e a c h p r o g r e s s r e v i e w m e e t i n g s l e a d m e t h r o u g h n e w p a t h s t o f u r t h e r d e v e l o p m y r e s e a r c h . _ . M y s i n c e r e t h a n k s g o t o t h e o f f i c e r s i n P o s t G r a d u a t e O f t l . c e . F a c u l t y o f E n g i n e e r i n g . U n i v e r s i t y o f M o r a t u w a . S r i L a n k a f o r h e l p i n g i n v a r i o u s w a y s t o c l a r i f y t h e t h i n g s r e l a t e d t o m y a c a d e m i c \ ' \ o r k s i n t i m e w i t h e x c e l l e n t c o o p e r a t i o n a n d g u i d a n c e . S i n c e r e g r a t i t u d e i s a l s o e x t e n d e d t o t h e p e o p l e w h o s e r v e i n t h e D e p a r t m e n t o f E l e c t r i c a l I~ngineering o f f i c e . L a s t l y . I s h o u l d t h a n k m a n y i n d i v i d u a l s , h i e n d s a n d c o l l e a g u e s w h o h a v e n o t b e e n m e n t i o n e d h e r e p e r s o n a l l y i n m a k i n g t h i s e d u c a t i o n a l p r o c e s s a s u c c e s s . M a y b e c o u l d n o t h a v e m a d e i t w i t h o u t y o u r s u p p o r t s . v L i s t o f F i g u r e s 1 . 1 : S L O T I I - R o p e C l i m b i n g R o b o t 1 . 2 : T w o - l i n k B r a c h i a t i n g R o b o t 1 . 3 : 1 3 - l i n k B r a c h i a t i o n R o b o t 1 . 4 : S t a i r - C l i m b i n g o f M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t 1 . 5 : R o p e C l i m b i n g R o b o t I n s p e c t s W i n d T u r b i n e s 3 . I : P r o p o s e d r o b o t d e s i g n 3 . 2 : R o b o t l e g c o n f i g u r a t i o n 3 . 3 : R o b o t g r i p p e r c o n f i g u r a t i o n 3 . 4 : R o b o t m o v e m e n t o n t h e r o p e 3 . 5 : R o b o t C o n t r o l S y s t e m 4 . 1 : R o b o t l e g c n d - c ! T e c t o r s c o o r d i n a t e 4 . 2 : R o b o t c o n f i g u r a t i o n 5 . 1 : S i m u l a t i o n a r c h i t e c t u r e 5 . 2 : R o b o t m o d e l s u b - s y s t e m 5 . 3 : R o b o t l e g m o v e m e n t s i m u l a t i o n 5 . 4 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 1 5 . 5 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 . . . 5 . 6 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 5 . 7 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 2 4 5 5 6 6 1 2 1 3 ] . . . , . 1 1 4 1 5 1 7 2 0 2 8 2 9 2 9 3 0 3 0 3 1 3 1 5 . 8 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n . v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 1 c e n t e r o f m a s s " I .1~ 5 . 9 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n . v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 2 c e n t e r o f m a s s 5 . 1 0 : T h r e e L i n k s R o b o t m o d e l s u b - s y s t e m 5 . 1 1 : T h r e e L i n k s r o b o t l e g m o v e m e n t s i m u l a t i o n 5 . 1 2 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 1 5 . 1 3 : P h a s e s p a c e p l o t o r j o i n t 2 5 . 1 4 : V a r i a t i o n o r r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 5 . 1 5 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o r j o i n t 2 " I .1~ . . . , . . . , _ ) _ ) 3 4 3 4 3 5 3 5 3 6 5 . 1 6 : B e h a v i o r o r t h e p o s i t i o n . v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 1 c e n t e r o f m a s s 3 6 V l 5 . 1 7 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n . v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 2 c e n t e r o f m a s s 3 7 5 . 1 8 : S i m M e c h a n i c s a n d V R M L c o m b i n e t o g e t h e r u s i n g V R S i n k b l o c k 5 . 1 9 : S i m M e c h a n i c s b l o c k o f e a c h l e g o f F i g u r e 5 . 1 8 5 . 2 0 : V R S i n k b l o c k p a r a m e t e r s 5 . 2 1 : D e v e l o p V R M L m o d e l u s i n g V - R e a l m B u i l d e r t o o l 5 . 2 2 : T w o l e g r o b o t s i m u l a t i o n o n V R M L v i e w e r 5 . 2 3 : R o b o t c o n t r o l s y s t e m 5 . 2 4 : C i r c u i t d i a g r a m o f m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d 5 . 2 5 : M o t o r c o n t r o l l e r b o a r d 5 . 2 6 : l \ \ · o l e g r o p e c l i m b i n g r o b o t p r o t o t y p e . ; 3 8 3 8 3 9 3 ( ) 4 0 4 1 4 2 4 2 4 3 5 . 2 7 : R o b o t p r o t o t y p e a n d i t s c o n f i g u r a t i o n 4 3 5 . 2 8 : ( a ) R o b o t c l i m b o n h o r i z o n t a l r o p e , ( b ) R o b o t c l i m b d o w n a n d ( c ) r o b o t c l i m b u p 4 4 V l l C h a p t e r 1 1 . I n t r o d u c t i o n T h i s r e s e a r c h . t i t l e d ' " D e v e l o p m e n t o f a m u l t i p u r p o s e r o p e c l i m b i n g r o b o C i s i n t e n d e d t o d e s i g n a n d c o n s t r u c t i n g a r o p e c l i m b i n g r o b o t f o r g e n e r a l p u r p o s e s . T h e p r o p o s e d r o b o t w i l l b e c o n s t r u c t e d t o c l i m b v e r t i c a l o r h o r i z o n t a l d i r e c t i o n a l r o p e s . T h e r o b o t i s p l a n e d t o w o r k o n w i d e - r a n g e o f e n v i r o n m e n t s w h e r e t h e c h a r a c t e r i s t i c s . p h y s i c a l l i m i t a t i o n s a n d o b s t a c l e s o n t h e r o p e a r e n o t m u c h l i m i t i n g t~1ctors t o t h e m o v e m e n t o f t h e r o b o t . T h e g r i p p e r s o f t h e r o b o t a r c d e s i g n e d t o g r i p d i f f e r e n t k i n d o f r o p e s . T h e r o b o t c a n w o r k w i t h v a r i o u s t y p e s o f r o p e s t h a t h a v e d i f f e r e n t d i a m e t e r s v a l u e s a n d r o u g h n e s s v a l u e s . T h e p r o p o s e d r o b o t i s p l a n n e d t o h a v e f o u r l e g s f o r b e t t e r s t e a d y g r i p p i n g w h i l e t h e r o b o t i s m o v i n g a n d c a r r y i n g a w e i g h t o n i t . W h e e l e d v e h i c l e s o r r o b o t s c a n a c h i e v e h i g h s p e e d l o c o m o t i o n w i t h a r e l a t i \ e l y l O \ \ C r c o n t r o l c o m p l e x i t y c o m p a r e d t o o t h e r f o r m s s u c h a s l e g g e d . h o p p i n g . o r s l i t h e r i n g r o b o t s . H o w e v e r , w h e e l e d v e h i c l e s h a v e s e v e r a l l i m i t a t i o n s o n r o u g h a n d u n e v e n surt~1ces. F o r i n s t a n c e . w h e e l r o b o t s a r e m u c h s p e e d i e r t h a n l e g g e d c o u n t e r p a r t . b u t \ \ h e e l e d r o p e c l i m b i n g r o b o t s a r e s u p p o s e d t o h a v e v e r y s m o o t h r o p e s . I f t h e r o p e i s h a v i n g o b s t a c l e s w h e e l r o b o t s a r e n o t p e r f o r m e d w e l l w h e r e a s l e g g e d r o b o t s a r c p e r f o r m e d w i t h m u c h h i g h e r e f f i c i e n c y . M o r e o v e r . w h e e l s c o m e i n t o c o n t a c t w i t h a l l d e t a i l s o f t h e t e r r a i n c a u s i n g h i g h e r e n e r g y l o s s e s i n f r i c t i o n M o r e s p e c i f i c a l l y . t h i s c a u s e s h i g h e r l o s s e s o n s o f t c o n t a c t s u r f a c e s l i k e a s l a c k e d r o p e . T h e p r o p o s e d f o u r l e g g e d r o b o t i s d e s i g n e d t o c l i m b v e r t i c a l o r h o r i z o n t a l d i r e c t i o n a l r o p e s w i t h h i g h e r e t l i c i c n c y . T h e d e s i g n o f t h e r o b o t i s s p e c i a l l y e m p h a s i z e d s o t h a t t h e r o b o t s h o u l d b e a b l e t o g r i p d i t T e r e n t k i n d s o f r o p e s w i t h d i f f e r e n t d i a m e t e r s a n d r o u g h n e s s \ a l u c s . P r e s e n t l y , t h e r e a r e o n l y a h a n d f u l o f r e s e a r c h e s h a v e b e e n c a r r i e d o u t f o r s e r v e t h e a b o v e p u r p o s e . F e w o f t h e w h e e l r o b o t s h a v e b e e n c o n s t r u c t e d b y d i f f e r e n t g r o u p s f o r r o p e c l i m b s w h i c h t h e y h a v e t h e i r o w n a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s . W h e e l r o b o t s a r e m u c h m o r e s p e e d i e r t h a n l e g g e d r o b o t . b u t w h e e l e d r o p e c l i m b i n g r o b o t s a r c c x . p e c t v e r y s m o o t h r o p e s f o r t h e p r o p a g a t i o n . I f t h e r o p e i s h a v i n g s o m e o b s t a c l e s \ \ h e e l r o b o t s d o n o t p e r f o r m w e l l w h e r e a s l e g g e d r o b o t s a r e p e r f o r m m u c h h i g h e r d e g r e e t h a n w h e e l e d r o b o t s . T h e p r o p o s e d l e g g e d r o b o t w i l l h a v e g r e a t e r n u m b e r o f d e g r e e s o f h e e d o m t h a n w h e e l e d r o b o t s . B r a c h a l i o n r o b o t s a n d c r a w l i n g t y p e r o b o t s a r e a l s o t r y t o c o n q u e r t h e r o p e c l i m b i n g w o r l d a n d t h e y s u c c e e d e d t o a c e r t a i n d e g r e e . T h e p r o p o s e d r o b o t i s e x p e c t e d t o h a v e f o l l o w i n g c h a r a c t e r i s t i c s . T h e O \ T r a l l c o m p l e x i t y o f t h e r o b o t c o n s t r u c t i o n s h o u l d b e m i n i m a l t o r e d u c e t h e t o t a l c o s t 1~)r p r a c t i c a l u s a g e o f t h e r o b o t . S m o o t h o p e r a t i o n i s i m p o r t a n t t o c a r r y a w e i g h t v e r y s m o o t h l y . F o r e x a m p l e w e c a n u s e t h i s t y p e o f r o p e c l i m b i n g r o b o t f o r r e s c u e m i s s i o n s a n d i f t h e r o b o t i s c a r r y i n g a w o u n d e d p e r s o n 1 t s h o u l d m o v e v e r y s m o o t h l y a n d s t e a d i l y . R o p e ' s p h y s i c a l c h a r a c t e r i s t i c s s u c h a s s i z e , r o u g h n e s s e t c s h o u l d n o t b e m u c h o f t h e l i m i t e d f a c t o r s f o r t h e r o b o t m o v e m e n t . 1 . 1 . S o c i a l a n d S c i e n t i f i c V a l u e o f t h e R e s e a r c h I . T h e p r o p o s e d r o b o t i s d e s i g n e d f o r m u l t i p u r p o s e r o p e c l i m b i n g a p p l i c a t i o n s . T h i s r o b o t c a n b e u s e d f D r r e s c u e o p e r a t i o n s , m i l i t a r y o p e r a t i o n s a n d a n y p l a c e t h a t i s r i s k y f o r h u m a n s t o c l i m b b y t h e r o p e e t c . M o s t o f t h e d e \ T i o p e d c o u n t r i e s a r e u s i n g r o b o t s f o r s u c h o p e r a t i o n s a s p o s s i b l e . B u t d e v e l o p i n g c o u n t r i e s a r e s t i l l r e l u c t a n t t o u s e r o b o t s f o r t h e i r a c t i v i t i e s . T h i s i s d u e t o v a r i o u s r e a s o n s s u c h a s f i n a n c i a l d i f f i c u l t i e s , l a c k o f t e c h n i c a l k n o w l e d g e a n d p o o r t r u s t o n t h e r o b o t m a c h i n e s e t c . T h i s r e s e a r c h i s p l a n n i n g t o c o n s t r u c t l c m c o s t r o p e c l i m b i n g r o b o t f o r g e n e r a l u s a g e . ; M o s t o f t h e t i m e w h e n a f i r e t a k e n p l a c e i n a b u i l d i n g , r e s c u e p e r s o n i s u s i n g m a n u a l m e t h o d s t o s a v e t h e v i c t i m s o f t h e i n c i d e n t . T h e y u s e r o p e s f r o m t o p o f t h e b u i l d i n g a n d c l i m b i n g o n t h e m f o r s a v e l i f e o f w o u n d e d p e r s o n s . B u t t h a t m a n e u v e r i s a h u g e r i s k f o r t h e r e s c u e p e r s o n a l a s \ Y e l l a s t h e w o u n d e d v i c t i m . T h e p r o p o s e d t y p e r o b o t c a n b e u s e d f o r h i g h r i s k o p e r a t i o n s a n d m i n i m i z e t h e r i s k o n h u m a n o i 1 i c e r s . 3 . I n S r i L a n k a , t h e r e a r c n o f u l l y a u t o m a t e d , s e m i - a u t o m a t e d o r m a n u a l c o n t r o l l e d r o p e c l i m b i n g r o b o t s a r c b e i n g u s e d f o r p r a c t i c a l o p e r a t i o n s . T h e r e a r c n o f r e q u e n t l a r g e s c a l e n a t u r a l d i s a s t e r s o c c u r r i n g i n S r i L a n k a . S t i l l t h e r e a r e m a n - m a d e d i s a s t e r s s i t u a t i o n s s u c h a s f i r e s i t u a t i o n s h a p p e n i n g i n b u i l d i n g s a n d t e r r o r i s t a t t a c k s o r h i g h r i s k m i l i t a r y o p e r a t i o n s e t c . B y u s i n g 2 a u t o m a t e d r o b o t s f o r s i m i l a r e n v i r o n m e n t s w e c a n r e d u c e t h e o v e r a l l r i s k o n t h e s o c i e t y . 4 . D e s i g n a n d c o n s t r u c t m o r e g e n e r i c r o p e c l i m b i n g r o b o t t h a t i s n o t d e p e n d o n s e t o f r o p e t y p e s . T h e m e d i a t h a t c a n b e f o u n d i n t h e o p e r a t i n g e m i r o n m e n t s h o u l d b e a b l e t o u s c a s a r o p e o r a n y e x i s t i n g r o p e l i k e m e d i a . F o r e x a m p l e s o m e t i m e a f t e r e m e r g e n c y s i t u a t i o n h a p p e n e d w e c a n n o t p l a c e s p e c i a l r o p e s f o r r o b o t m o v e m e n t s . I f t h e r e a r e a n y r o p e s o r b a r a l r e a d y e x i s t o n t h a t e n v i r o n m e n t t h e r o b o t s h o u l d b e a b l e t o o p e r a t e o n t h a t m e d i a a n d w o r k a c c o r d i n g t o t h e s i t u a t i o n . " 1 . 2 . A n a l y z e d R o b o t D e v e l o p m e n t s a n d R e s e a r c h e s F e w o f t h e r o b o t d e v e l o p m e n t s d o n e b y v a r i o u s g r o u p s w e r e a n a l y z e d t o g e t b e t t e r u n d e r s t a n d i n g a b o u t t h e c u r r e n t d e v e l o p m e n t i n t h e r o p e c l i m b i n g r o b o t t e c h n o l o g y . T h e p r o p o s e d r o b o t i s u n i q u e f r o m s o m e o f t h e a s p e c t s o f t h e e x i s t i n g r o b o t s . r o l l o w i n g p a r a g r a p h s w i l l d e s c r i b e s o m e o f t h e a n a l y z e d r o b o t d e v e l o p m e n t s i n d e t a i l s . I . S L O T H - R o p e C l i m b i n g R o b o t [ 1 ] S L O T H i s a r o b o t t h a t i s u s e d f o r r o p e c l i m b i n g . S t u d y i n g t h e a n a t o m y a n d m o \ e m e n t o f a l i v i n g s l o t h h a s i n s p i r e d S L O T H ' s m e c h a n i c a l d e s i g n a n d i t ' s c l i m b i n g g a i t s . S L O T H r o b o t i s c o n s t r u c t e d b y t h r e e s m a l l s e r v o s a n d i s c o n t r o l l e d t h r o u g h a n S S C I I s e r i a l s e r v o c o n t r o l l e r . S L O T H r o b o t c a n b e u s e d a s a t e l e p r c s e n c e r o b o t i c s y s t e m b y c a r r y i n g a s m a l l v i d e o c a m e r a t o o f f e r " v i s u a l a c c e s s " i n p l a c e s w h e r e a c c e s s b y h u m a n p r e s e n c e i s d i t l i c u l t a n d d a n g e r o u s ( l i k e e a r t h q u a k e a f f e c t e d b u i l d i n g s . p o i s o n o u s a n d t o x i c g a s t r a p p e d r o o m s e t c ) . , . ) G r i p p e r s " M o t o F i g u r e 1 . 1 : S L O T H - R o p e C l i m b i n g R o b o t 2 . B r a c h i a t i n g R o b o t b y P r o f e s s o r : T o s h i o F u k u d a ' s g r o u p P r o f e s s o r T o s h i o F u k u d a ' s g r o u p h a v e b e e n d e v e l o p e d f e w b r a c h i a t i n g r o b o t s f o r v e r y s i m i l a r o p e r a t i o n s l i k e r o p e c l i m b i n g . T w o - l i n k B r a c h i a t i n g R o b o t [ 2 ] . 1 3 - l i n k B r a c h i a t i o n R o b o t [ 3 ] a n d S t a i r - C l i m b i n g o f M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t w e r e a n a l y z e d p r i o r t o t h i s p r o p o s a l p r e p a r a t i o n . T w o - l i n k B r a c h i a t i n g R o b o t e x p l o r e h o w d y n a m i c a l l y d e x t e r o u s t a s k s c a n b e a c h i e v e d u s i n g p h y s i c a l i n s i g h t i n t o t h e d e s i g n a t e d t a s k a n d i n t r i n s i c d y n a m i c s o f t h e s y s t e m . H i e r a r c h i c a l b e h a v i o r - b a s e d c o n t r o l l e r f o r d y n a m i c a l m o t i o n . m o t i o n a d a p t a t i o n f o r t h e c h a n g e o f i n t e r v a l s b e t w e e n b r a n c h e s b y o f f - l i n e l e a r n i n g u s i n g s t e e p e s t d e s c e n t m e t h o d a n d o n - l i n e a d j u s t m e n t u s i n g r e a l - t i m e v i d e o t r a c k i n g s y s t e m a r e m a j o r f e a t u r e s o f t h e 1 3 - l i n k B r a c h i a t i o n R o b o t . S t a i r - C l i m b i n g o f M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t i s d e v e l o p e d t o r e a l i z e t h e s t a i r - c l i m b i n g o f t h e M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t a n d e s t a b l i s h a s t a b l e c l i m b i n g m e t h o d a s t h e r o b o t w a l k s u p t h e s t a i r w i t h r a i l i n g . 4 F i g u r e 1 . 2 : T w o - l i n k B r a c h i a t i n g R o b o t F i g u r e 1 . 2 s h o w s h o w t w o - l i n k b r a c h i a t i n g r o b o t i s r f l o v i n g o n t h e r o p e s . T h i s f i g u r e i l l u s t r a t e s t h r e e s n a p s h o t s o f t h e m o v e m e n t . T h i s r o b o t b a s i c a l l y j u m p s f r o m f i r s t p o i n t t o s e c o n d p o i n t a n d g r a b t h a t p o i n t . I f d o e s n o t h a v e v e r y s m o o t h o p e r a t i o n . b u t a s f a r a s r o p e s a r c s t e a d y i t c a n m o v e s t e a d i l y o n t h e r o p e s . F i g u r e 1 . 3 i l l u s t r a t e s t h e a d v a n c e v e r s i o n o f t w o - l i n k b r a c h i a t i n g r o b o t 1 3 - l i n k b r a c h i a t i n g r o b o t . T h i s r o b o t o p e r a t e s o n l i t t l e s m o o t h t r a c k t h a n p r e v i o u s o n e s i n c e i t h a s m o v e d e g r e e s o f f r e e d o m . F i g u r e 1 . 4 i s a b o u t S t a i r - C l i m b i n g M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t t h a t i s a l s o s h a r e s a m e d e s i g n a s p r e v i o u s w i t h a d v a n c e c o n t r o l l e r m e c h a n i s m s . G r i p p e r s H a n d s B o d y e g s F i g u r e 1 . 3 : 1 3 - l i n k B r a c h i a t i o n R o b o t 5 H a n d s B o d y " ' L e g s F i g u r e 1 . 4 : S t a i r - C l i m b i n g o f M u l t i - L o c o m o t i o n R o b o t 3 . R o p e C l i m b i n g R o b o t I n s p e c t s W i n d T u r b i n e s T u r b i n e R o b o t R o p e s F i g u r e 1 . 5 : R o p e C l i m b i n g R o b o t I n s p e c t s W i n d T u r b i n e s 6 T h i s r o p e c l i m b i n g r o b o t i s u s e d t o i n s p e c t r o t o r b l a d e s o f w i n d t u r b i n e s . T h e i n s p e c t i o n s y s t e m c o n s i s t s o f t h r e e e l e m e n t s : a n i n f r a r e d r a d i a t o r c o n d u c t s h e a t t o t h e s u r f a c e o f t h e r o t o r b l a d e s a n d a h i g h - r e s o l u t i o n t h e r m a l c a m e r a r e c o r d s t h e t e m p e r a t u r e p a t t e r n a n d t h u s r e g i s t e r s f l a w s i n t h e m a t e r i a l . I n a d d i t i o n , a n u l t r a s o n i c s y s t e m a n d a h i g h r e s o l u t i o n c a m e r a a r e a l s o o n b o a r d , t h u s e n a b l i n g t h e r o b o t t o a l s o d e t e c t d a m a g e t h a t w o u l d r e m a i n h i d d e n t o t h e h u m a n e y e . T h i s d e s i g n i s b a s e d o n w h e e l e d m e c h a n i s m a n d o t h e r m e n t i o n e d r o b o t s a r c c a t e g o r i z e d a s l e g g e d r o b o t s . U s i n g s e t o f w h e e l s ' a n d m o t o r s t h e r o b o t b o d y m o v e s u p w a r d a n d d o w n w a r d o n t h e r o p e . T h i s r o b o t i s h a v i n g f o u r r o p e s f o r h i g h e r s t a b i l i t y a n d p r o p e r p o s i t i o n i n g o f r o b o t b o d y o n t h e w i n d t u r b i n e p r o p e l l e r w i n g s . 4 . O t h e r r o b o t d e v e l o p m e n t s A w h e e l e d r o b o t t h a t c a n r u n o n a w e b b y p i n c h i n g t h e s t r i n g s i s p r e s e n t e d i n r s 1 . T h e y p r o p o s e d a p p l y i n g w h e e l e d r o b o t s i n a s s e m b l i n g l a r g e s t r u c t u r e s i n c o n s t r u c t i n g F u r o s h i k i s a t e l l i t e . I n f i r s t s t e p F u r o s h i k i s a t e l l i t e i s u s e d t o l a y l a r g e w e b o f s t r i n g s t h a t i s u s e d t o c r a w l s a n t e n n a e l e m e n t s o n i t u s i n g t h e s e w h e e l e d r o b o t s . N e x t , a l l o f t h e a n t e n n a e l e m e n t s c r a w l o n t h e w e b w i t h t h e h e l p o f t h e r o b o t s t o w a r d p r e - a l l o c a t e d l o c a t i o n s i n o r d e r t o r e a l i z e a c o m p l e t e a n t e n n a . T h e b i o m i m e t i c d e s i g n a n d a s s e m b l y o f a 3 g s e l f - c o n t a i n e d c r a w l i n g r o b o t f a b r i c a t e d t h r o u g h t h e i n t e g r a t e d u s e o f v a r i o u s m i c r o - r o b o t t e c h n o l o g i e s i s a n o t h e r s u c c e s s f u l a t t e m p t o n t h e c r a w l i n g t y p e r o b o t s l 6 J . T h e h e x a p o d s t r u c t u r e i s d e s i g n e d t o m o v e i n a n a l t e r n a t i n g t r i p o d g a i t d r i v e n b y t w o p i e z o e l e c t r i c a c t u a t o r s c o n n e c t e d b y s l i d i n g p l a t e s t o t w o s e t s o f t h r e e l e g s . T h i s r e s e a r c h h a s s u c c e s s f u l l y i n t e g r a t e d v a r i o u s m i c r o - r o b o t t e c h n o l o g i e s t h a t h a v e b e e n d e v e l o p e d i n c l u d i n g a c t u a t o r d e s i g n a n d f a b r i c a t i o n . p o w e r a n d c o n t r o l e l e c t r o n i c s d e s i g n , p r o g r a m m i n g v i a a f i n i t e s t a t e m a c h i n e . a n d t h e d e v e l o p m e n t o f b i o - i n s p i r c d f i b e r a r r a y s . 7 C h a p t e r 2 2 . P r o b l e m S t a t e m e n t R o p e c l i m b i n g i s a s p o r t i n w h i c h c o m p e t i t o r s , u s u a l l y m e n . a t t e m p t t o c l i m b u p a s u s p e n d e d v e r t i c a l r o p e u s i n g o n l y t h e i r h a n d s . N o t o n l y a s a s p o r t . b u t a l s o r o p e c l i m b i n g i s d o n e f o r v a r i o u s o t h e r a c t i v i t i e s a s w e l l . B a s e d o n t h e e x p e r i e n c e h u m a n h a v e g a i n e d . t h e y h a v e m o v e d i n t o c o n s t r u c t i o n o f r o p e c l i m b i n g m a c h i n e s a n d r o p e c l i m b i n g r o b o t s . D i f f e r e n t b e t w e e n r o p e s c l i m b i n g i S J a c h i n e s a n d r o p e c l i m b i n g r o b o t s a r e . m a c h i n e s a r c u s e d t o h e l p p e o p l e t o c l i m b r o p e s a n d r o b o t a r e a b l e t o c l i m b a r o p e t h e i r o w n . C l i m b i n g m a c h i n e s s h o u l d c o n t r o l b y a h u m a n a n d t h e y h a v e t o u s c t h e m t o s i m p l i f y t h e i r c l i m b i n g w o r k . F u r t h e r m o v i n g t o r o b o t d e v e l o p m e n t s p e o p l e h a v e t r i e d t o c o n s t r u c t r o b o t t h a t c a n c l i m b a u t o m a t i c a l l y o r s e m i - a u t o m a t i c a l l y . D i i T c r e n t t y p e s o f r o p e c l i m b i n g r o b o t s h a v e b e i n g c o n s t r u c t e d a n d t h e y a r e h a v i n g t h e i r o v v n a d v a n t a g e s a n d d i s a d v a n t a g e s . W h e e l e d r o b o t s , l e g g e d r o b o t s . c r a w l i n g t y p e r o b o t s . b r a c h a l i o n t y p e r o b o t s a n d h y b r i d r o b o t s w i t h t h e c o m b i n a t i o n s o f a b o v e t e c h n i q u e s a r e w i d e l y u s e d i n r o b o t i c s d e v e l o p m e n t s . I n r o p e c l i m b i n g r o b o t s c o n t e x t d i f f e r e n t k i n d o f w h e e l e d r o b o t s a r c h e a v i l y u s e d . L e g g e d r o b o t s a n d b r a c h a l i o n r o b o t s a r e a l s o p l a y m a j o r r o l e i n r o p e c l i m b i n g r o b o t d e v e l o p m e n t s . W i t h c o m p a r e t o t h e w h e e l e d r o b o t s . l e g g e d r o b o t s a r e l i t t l e s l o w e r . B u t w h e e l e d r o b o t s a l w a y s e x p e c t e d t o h a v e s m o o t h r o p e s a n d t h e y c a n b e a p p l i e d t o p r e d e f i n e d s e t o f r o p e t y p e s o n l y . L e g g e d r o b o t s c a n b e d e s i g n e d t o h a v e m o r e g e n e r i c t h a n w h e e l e d r o b o t s a n d t h e y h a v e m o r e d e g r e e s o f f r e e d o m . A l s o l e g g e d r o b o t s c a n b e m o v e d o n t h e r o p e l i t t l e s t e a d i l y t h a n w h e e l e d r o b o t s a n d t h e y c a n c a r r y a w e i g h t o n i t s m o o t h l y . I n r o p e c l i m b i n g r o b o t c o n t e x t t h e r e a r e f e w l i m i t a t i o n s t h a t d e s i g n e r s c a n n o t t o t a l l y e l i m i n a t e . B a s i c a l l y a n y r o p e c l i m b i n g r o b o t d e s i g n h i g h l y d e p e n d s o n t h e n a t u r e o f t h e r o p e . T h e s i z e o f t h e r o p e , s t i f f n e s s , r o u g h n e s s , w h e t h e r t h e r o p e i s s h a k i n g o r s t e a d y . r o p e o r i e n t a t i o n a n d m a n y o t h e r f a c t o r s a r c t h e r e t o c o n s i d e r w h e n d e s i g n a r o p e c l i m b i n g r o b o t . D i f f e r e n t c o n t r o l l e r m e c h a n i s m s m i g h t b e n e e d e d w h e n r o b o t m o v i n g u p v v a r d , d o w n w a r d a n d c a r r y i n g a w e i g h t w i t h i t . A l s o r o p e c l i m b i n g r o b o t d e s i g n s h o u l d a d d r e s s h o w i t w o r k s w h e n s o m e o b s t a c l e s p r e s e n t o n t h e r o p e . 8 2 . 1 . R e s e a r c h O b j e c t i v e s D e s i g n a L o w C o s t M u l t i p u r p o s e R o p e C l i m b i n g R o b o t T h i s r e s e a r c h i s i n t e n d e d t o d e s i g n a n d c o n s t r u c t i n g a r o p e c l i m b i n g r o b o t f o r g e n e r a l p u r p o s e s . T h e r o b o t i s p l a n n e d t o h a v e f o u r l e g s a n d f o u r g r i p p e r s . E a c h l e g a n d g r i p p a i r i s h a v i n g t w o d e g r e e s o f f r e e d o m . T h e e n t i r e r o b o t w i l l h a v e e i g h t d e g r e e s o f f r e e d o m . A l l j o i n t s a r e r o t a r y j o i n t s a n d r o b o t w i l l m o v e f o r w a r d a n d b a c k w a r d u s i n g l e g r o t a r y j o i n t s . G r i p p e r s a r e n o t d e s i g n e d f o r s p e c i f i c t y p e o f r o p e s a n d g e n e r a l l y i t \ \ i l l t r y t o g r i p a n y r o p e t h a t c a n w r a p b y t h e gripper~ A t a n y g i v e n t i m e a t l e a s t t w o l e g s a r e s t e a d i l y g r i p t h e r o p e a n d e a c h l e g f u n c t i o n s i n d i v i d u a l l y . T h i s m e t h o d w i l l m a k e s u r e t o h a v e t h e r o b o t m o v e o n a r o p e v e r y s t e a d i l y a n d s m o o t h l y . T h e r o b o t d e s i g n i s e x p e c t e d t o h a v e l o w c o m p l e x a s p o s s i b l e t o m i n i m i z e t h e o v e r a l l c o n s t r u c t i o n c o s t a n d m a i n t e n a n c e c o s t . T h e l o w c o s t r o b o t s d e s i g n s l e a d t h e m t o b e u s e d i n \ ' a r i o u s p r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s , w i t h o u t r e s t r i c t i n g r o b o t r e s e a r c h e s i n t o l a b o r a t o r i e s . D e s i g n K i n e m a t i c s a n d D y n a m i c m o d e l f o r r o p e c l i m b i n g r o b o t B e f o r e c o n s t r u c t r o b o t p r o t o t y p e . k i n e m a t i c s a n d d y n a m i c m o d e l a r c p l a n n e d t o p r e p a r e f o r f u r t h e r a n a l y z e r e s e a r c h r o b o t d e s i g n . B y d o i n g a k i n e m a t i c s a n a l y s i s t r i e s t o d e c i d e t h e m i n i m u m d e g r e e s o f f r e e d o m n e e d e d t o c l i m b u p a r o p e w i t h a s a g . S i m u l a t e r o p e c l i m b i n g r o b o t a n d a n a l y z e t h e s t a b i l i t y o f t h e d e s i g n B a s e d o n t h e d y n a m i c m o d e L s i m u l a t i o n i s p l a n n e d t o c a r r y f o r f u r t h e r a n a l y s i s o f t h e s t a b i l i t y o f t h e s y s t e m . I n t h i s s i m u l a t i o n , s t u d y h o w G r a v i t a t i o n a l f o r c e i s a p p o r t i o n e d t o e a c h m o t o r t o r q u e f o r s t a t i c s t a b i l i t y . A l s o p l a n e t o a n a l y z e a n y f r i c t i o n c o e f f i c i e n t f o r v i s c o u s f r i c t i o n . C o n s t r u c t a r o p e c l i m b i n g r o b o t p r o t o t y p e U p o n s u c c e s s f u l c o m p l e t i o n o f d y n a m i c s i m u l a t i o n o f t h e r o b o t d e s i g n . i t i s p l a n n e d t o c o n s t r u c t a p r o p o s e d r o p e c l i m b i n g r o b o t p r o t o t y p e . T h i s p r o t o t y p e w i l l c o n s t r u c t u s i n g 8 s e r v o m o t o r s a n d m i c r o - c o n t r o l l e r b a s e d c o n t r o l s y s t e m . E a c h l e g c a n o p e r a t e s e p a r a t e l y f o r i n d i v i d u a l l e g m o v e m e n t s a n d t o m o v e r o b o t f o r w a r d a n d b a c k w a r d a l l l o u r l e g s c a n o p e r a t e s i m u l t a n e o u s l y . 9 F u r t h e r a n a l y z e o f p r a c t i c a l u s a g e s o f t h e r o b o t i n S r i L a n k a n a n d I n t e r n a t i o n a l c o n t e x t A l s o t h e r e s e a r c h i s a i m e d a t a n a l y z i n g f u r t h e r p o s s i b l e u s a g e s o f t h e p r o p o s e d r o b o t i n S r i L a n k a n a n d I n t e r n a t i o n a l c o n t e x t . A l r e a d y i t w a s i d e n t i f i e d t h a t t h e p r o p o s e d r o b o t c a n b e u s e d f o r r e s c u e o p e r a t i o n s , m i l i t a r y o p e r a t i o n s s i n c e t h e r o b o t c l i m b s r o p e v e r y s t e a d i l y a n d s m o o t h l y . A l s o i t i s p o s s i b l e t o a p p l y p r o p o s e d r o p e c l i m b i n g r o b o t i n v a r i o u s o t h e r s c e n a r i o s . F i n a l o b j e c t i v e o f t h e r e s e a r c h i s t o i d e n t i f y p o s s i b l e a p p l i c a t i o n s a n d i f t h e r e a n y a l t e r a t i o n s r e q u i r e d p l a n f o r t h e m . . . 2 . 2 . F a c i l i t i e s R e q u i r e d k n o v v l e d g c i s g a i n e d b y r e f e r r i n g r e l a t e d b o o k s a n d t h e I n t e r n e t t o m o v e f o r v . . a r d o n t h e r e s e a r c h t o p i c . I n t e r n e t h a s b e e n h e a v i l y u s e d t o s e c k i n f o r m a t i o n o n p r e v i o u s l y p u b l i s h e d a r t i c l e s o n t h e t o p i c . R e q u i r e d h a r d w a r e c o m p o n e n t s a r e p l a n n e d t o f i n d f r o m t h e l o c a l r e t a i l h a r d w a r e s h o p s a n d o n - l i n e e - c o m m c r c e c e n t e r s . A d d i t i o n a l h a r d w a r e m a t e r i a l s f o r r o b o t c o n s t r u c t i o n s u c h a s s k e l e t o n o f r o b o t b o c h i s p l a n n e d t o c o n s t r u c t m a n u a l l y b y u s i n g a l u m i n u m a n d w o o d m a t e r i a l s . f o r t h e d y n a m i c s i m u l a t i o n o f t h e r o b o t d e s i g n , i t i s p l a n n e d t o p r e p a r e m a t h e m a t i c a l m o d e l o f t h e s y s t e m b a s e d o n t h e l e c t u r e n o t e s o f c o n t r o l s y s t e m s u b j e c t s o f t h e d e g r e e p r o g r a m . 2 . 3 . F e a s i b i l i t y R e q u i r e d k n o w l e d g e i s g a i n e d b y u s i n g v a r i o u s r e s o u r c e s a s d i s c u s s e d i n p r e v 1 o u s t o p i c . P r i o r t o t h e p h y s i c a l c o n s t r u c t i o n o f r o b o t , d y n a m i c m o d e l i s p r e p a r e d a n d d o t h e s i m u l a t i o n t o c h e c k t h e s t a b i l i t y o f t h e p r o p o s e d r o b o t s y s t e m . B a s e d o n t h e r e s u l t s o f t h e s i m u l a t i o n . i t i s p l a n n e d t o f i n e t u n e t h e d e s i g n a n d p r o c e e d t o p h y s i c a l c o n s t r u c t i o n o f t h e r o b o t . S e r v o m o t o r s , s e n s o r d e v i c e s a n d c o n t r o l c i r c u i t c o m p o n e n t s a r c n e e d e d t o p u r c h a s e . R e q u i r e d s o f t w a r e c o m p o n e n t s a r c p l a n n e d t o b e d e v e l o p e d u s i n g f r e e a n d o p e n s o u r c e s o f t w a r e p a c k a g e s . 1 0 T h e p r o p o s e d r o b o t w i l l b e a f o u r l e g s m u l t i - l o c o m o t i o n r o p e c l i m b i n g r o b o t . T h e d e s i g n i s s p e c i a l l y e m p h a s i s o n r e d u c e t h e o v e r a l l i m p l e m e n t a t i o n c o s t o f t h e r o b o t f o r h i g h e r u s a g e o f t h e p r a c t i c a l s i t u a t i o n s . T h e p r o t o t y p e w i l l b e c o n s t r u c t e d t o d e m o n s t r a t e t h e i d e a a n d c o m p l e t e n e s s o f t h e p r o j e c t . " ' 1 1 C h a p t e r 3 3 . R e s e a r c h M e t h o d o l o g y '~o 0 ---~ 1 I I ! I ' ! I I I w ·~~(91 ! G i i i " - ' _ i c . L c t u . : t t , · , r I . , ) , , c , [ J " , c . , : J - . ; F i g u r e 3 . 1 : P r o p o s e d r o b o t d e s i g n T h e p r o p o s e d r o b o t i s a f o u r l e g s r o p e c l i m b i n g r o b o t . T h i s r o b o t i s c o n t a i n e d f o u r l e g s a n d f o u r g r i p p e r s f o r s t e a d y a n d s m o o t h o p e r a t i o n . T o c o n t r o l t h e s e l e g s a n d g r i p p e r s i t i s p l a n n e d t o u s e e i g h t s e r v o m o t o r s . E a c h l e g i s c o n t r o l l e d b y o n e s e r v o m o t o r a n d e a c h g r i p p e r i s c o n t r o l l e d b y a n o t h e r s e r v o m o t o r . A n y l e g c a n i n d e p e n d e n t l y r o t a t e f o r w a r d a n d b a c k w a r d f o r i n d i v i d u a l l e g p o s i t i o n i n g a n d a l l f o r l e g s o p e r a t e s i m u l t a n e o u s l y f o r e n t i r e r o b o t ' s f o r w a r d a n d b a c k \ v a r d m o v e m e n t s . E a c h l e g i s h a v i n g t w o r o t a r y j o i n t s t o c o n t r o l . b u t b y u s i n g s i m p l e l e v e r s y s t e m i t i s p o s s i b l e t o c o n t r o l b o t h j o i n t u s i n g s i n g l e a c t u a t o r . R o b o t f o o t o f e a c h l e g i s a l i g n e d p a r a l l e l t o t h e r o p e a t a n y g i v e n t i m e w h i l e i t ' s m o v i n g d u e t o t h e a b o v e l e v e r s y s t e m . S i n c e f o o t i s a l w a y s p a r a l l e l w i t h t h e r o p e m a x i m u m s u r f a c e o f t h e f o o t t o u c h e s w i t h t h e r o p e a n d t h i s l e a d t o s t e a d y g r i p p i n g f a c i l i t y f o r t h e r o b o t m o v e m e n t . T h i s r o b o t d e s i g n u s e s s a m e c o n t r o l l e r m e c h a n i s m f o r l e g a n d g r i p p e r m o t o r s f o r f o r w a r d a n d b a c k w a r d m o v e m e n t o f t h e r o b o t . S i n c e t h e r o b o t i s h a v i n g f o u r l e g s i t h a s h i g h e r s t a b i l i t y e v e n o n e l e g d o e s n o t g r i p t h e r o p e p r o p e r l y . T h e d e s i g n o f t h e r o b o t h i g h l y e m p h a s i s o n m o r e g e n e r a l t y p e g r i p p e r s t h a t d o n o t m u c h d e p e n d s o n t h e c h a r a c t e r i s t i c s o f t h e r o p e . T h i s w i l l l e a d t o f u n c t i o n s m o o t h l y o n u n e x p e c t e d s i t u a t i o n s s u c h a s r o p e i s h a v i n g s o m e o b s t a c l e s . T h i s d e s i g n d o e s n o t d i r e c t l y o p e r a t e p r o p e r l y w h e n r o p e s c r o s s e a c h o t h e r . 1 2 l 3 . 1 . R o b o t L e g C o n f i g u r a t i o n \ G r i p p e r ; _ j @ ) L e g L e v e r S y s t e m I < o b o t B o d y · , ' " " · · . . . . . . . . I A c t u a t o r ) i / ' · - - - - - - - - - - - - - - - - ' I i g u r e 3 . 2 : R o b o t l e g c o n f i g u r a t i o n J T h e r o b o t l e g i s f i x e d w i t h r o b o t b o d y u s i n g a r o t a r y j o i n t . S i n g l e s e r v o m o t o r i s u s e d t o c o n t r o l t h e i n d i v i d u a l l e g . B y r o t a t i n g s e r v o m o t o r r o b o t c a n m o v e t h e l e g f o n \ a r d a n d b a c k w a r d . B y c o n t r o l l i n g i n d i v i d u a l s e r v o m o t o r a t l e g ' s j o i n t r o b o t c a n m o v e i n d i v i d u a l l e g a n d b y c o n t r o l l i n g a l l f o u r s e r v o m o t o r s t o g e t h e r r o b o t c a n m o v e i t s b o d y f o r v v a r d a n d b a c k w a r d . S i m p l e l e v e r s y s t e m i s u s e d t o r e d u c e t h e n u m b e r o r a c t u a t o r s r e q u i r e d t o c o n s t r u c t t h e r o b o t l e g . A l s o f o o t m o v e m e n t o n r o p e i s s m o o t h a n d a l i g n s w i t h t h e r o b o t l e g m o v e m e n t w i t h t h i s l e v e r s y s t e m a n d i t r e d u c e d t h e c o n t r o l l e r c o m p l e x i t y o f t h e r o b o t d e s i g n . T h i s i s o n e o f t h e m e c h a n i s m s t h a t u s e d t o r e d u c e t h e c o m p l e x i t y o f t h e r o b o t d e s i g n . 3 . 2 . R o b o t G r i p p e r C o n f i g u r a t i o n f o o t b I G r i p p e r M o t o r q · · w / _ . _ / -~-..... G r i p p e r \ \ , _ ( ) ' \ , , ''--....\.~-- R o p e -. . . . . . . ~ F i g u r e 3 . 3 : R o b o t g r i p p e r c o n f i g u r a t i o n R o b o t g r i p p e r i s a t o o l t h a t i s u s e d t o g r i p t h e r o p e f o r s t e a d y m o v e m e n t o n t h e r o p e . T h i s t o o l i s n o t d e p e n d e d o n t h e r o p e t y p e o r s i z e . E a c h g r i p p e r i s c o n s t r u c t e d u s i n g a 1 3 s i n g l e s e r v o m o t o r . G r i p p e r i s f i x e d t o m o v i n g e n d o f t h e l e g . G r i p p e r p r e s s e s a n d r e l e a s e s t h e r o p e a g a i n t s t h e r o b o t f o o t . 3 . 3 . R o b o t M o v e m e n t o n t h e R o p e T - - l ; T - - _ , - - - _ l l x 1 > x 2 ' ~-·--------· . _ _ j ; ~ L _ _ _ _ _ _ _ ~ --~·--r- 1 ' ----~- l l F i g u r e 3 . 4 : R o b o t m o v e m e n t o n t h e r o p e I i g u r e 3 . 4 i s i l l u s t r a t e d h o w t h e r o b o t i s m o v i n g f o r w a r d o n t h e r o p e . T h i s f i g u r e s h m v s o n l y o n e b a c k l e g a n d o n e f r o n t l e g p a i r o n l y . S a m e p a t t e r n i s a p p l i e d f o r o t h e r t m 1 l e g s i n n e x t l e g m o v e m e n t c y c l e . W h i l e t w o l e g s a r e g r i p t h e r o p e s t e a d i l y o t h e r t \ \ \ . J l e g s ( e i t h e r s i d e ) a r c m o v e d f o r w a r d t h e n b y r o t a t i n g a l l i o u r l e g s t h e r o b o t i s m o \ e d t o f o r w a r d . B y r e p e a t i n g s a m e c y c l e b a c k w a r d r o b o t c a n m o v e b a c k w a r d . R o b o t c a n s t a y o n t h e r o p e i n t w o c o n f i g u r a t i o n s . E i t h e r w i t h z e r o t o r q u e o n l e g a c t u a t o r s o r i t c a n s t a y a n y p o s i t i o n w i t h t h e c o n t i n u o u s h o l d i n g t o r q u e o f t h e l e g a c t u a t o r s . f i r s t s t e p o f t h e F i g u r e 3 . 4 s h o w s t h e z e r o h o l d i n g t o r q u e p o s i t i o n a n d l a s t s t e p s h o w s t h e c o n t i n u o u s h o l d i n g t o r q u e p o s i t i o n . 1 4 3 . 4 . R o b o t C o n t r o l S y s t e m L e g S e r v o M o t o r s G r i p p e r S e r v o M o t o r s C o n t r o l U n i t ; 1 ' , ~---~ L e g / G r i p p e r S e n s o r p a i r s F i g u r e 3 . 5 : R o b o t C o n t r o l S y s t e m M i c r o - c o n t r o l l e r b a s e d r o b o t c o n t r o l s y s t e m i s u s e d t o c o n t r o l e n t i r e r o b o t . I n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e c o n t r o l s y s t e m a r e c o m e f r o m l e g / g r i p p e r s e n s o r p a i r s . L e g s e r v o m o t o r s a n d G r i p p e r s e r v o m o t o r s a r e c o n t r o l l e d b y t h e m i c r o - c o n t r o l l e r . b a s e d o n t h e i n p u t p a r a m e t e r s a n d f u n c t i o n t h a t i s n e e d e d t o p e r f o r m . C o m p l e t e c o n t r o l u n i t c o n s i s t s w i t h t w o m a j o r c o m p o n e n t s . F i r s t c o m p o n e n t i s r e s p o n s i b l e t o t a k e n e c e s s a r y d e c i s i o n o r s e l e c t p r o p e r h i g h l e v e l c o n t r o l s i g n a l b a s e d o n t h e s i g n a l p a r a m e t e r s a n d ! ' u n c t i o n t h a t r o b o t n e e d s t o p e r f o r m . T h e s e c o n t r o l s i g n a l s a r e v e r y h i g h l e v e l s i g n a l s a n d i t d o e s n o t o p e r a t e a n y h a r d w a r e c o m p o n e n t s . S e c o n d c o m p o n e n t i s r e s p o n s i b l e t o d e c o d e a b o v e h i g h l e v e l s i g n a l s a n d p e r f o r m u n d e r l i n e o p e r a t i o n s . T h i s c o m p o n e n t i s i n t e l l i g e n t e n o u g h t o w o r k w i t h h a r d w a r e c o m p o n e n t s a n d c o n t r o l t h e m p r o p e r l y . T h i s c o n t r o l s y s t e m d e c o m p o s i t i o n i s v e r y i m p o r t a n t w h e n y o u d e v e l o p c o m p l e t e c o n t r o l l e r p r o g r a m f o r t h e r o b o t . S o f t w a r e p r o g r a m s f o r e a c h c o m p o n e n t c a n b e i n d i v i d u a l l y d e v e l o p a n d t e s t . L a t e r b y i n t e g r a t i n g i n d i v i d u a l c o m p o n e n t s i t i s p o s s i b l e t o c o n s t r u c t c o m p l e t e r o b o t c o n t r o l u n i t . 1 5 C h a p t e r 4 - t . T h e o r e t i c a l D e v e l o p m e n t - t . l . T h e R o b o t D e s i g n l h e r o b o t d e s i g n ( F i g u r e . 3 . 1 ) i s a f o u r l e g g e d m u l t i - l o c o m o t i o n r o p e c l i m b i n g v a r i e t y t l w t i s h a v i n g f o u r l e g s a n d f o u r g r i p p e r s f o r s t e a d y a n d s m o o t h o p e r a t i o n . E a c h l e g i s c o n t r o l l e d b y a s i n g l e s e r v o m o t o r a n d e a c h g r i p p e r i s c o n t r o l l e d b y a n o t h e r s e r v o " ' m o t o r . E a c h l e g a n d g r i p p e r p a i r i s c o n t r o l l e d b y a s i n g l e c o n t r o l l e r b o a r d . I h e r o b o t l e g i s f i x e d w i t h i t s r o b o t b o d y u s i n g a r o t a r y j o i n t . E a c h l e g i s c o n t r o l l e d l l Y a d e d i c a t e d m o t o r . B y c o n t r o l l i n g i n d i v i d u a l m o t o r a t l e g ' s j o i n t , r o b o t c a n m o v e m d i v i d u a l l e g i n d e p e n d e n t l y a n d b y s y n c h r o n i z i n g t h e m o v e m e n t s o f a l l f o u r m o t o r s t o g e t h e r c a n m o v e i t s b o d y f o r w a r d a n d b a c k w a r d . T h e g r i p p e r i s a t o o l t h a t i s u s e d t o ! l _ r i p t h e r o p e f o r s t e a d y m o v e m e n t o n t h e r o p e . E a c h g r i p p e r i s c o n s t r u c t e d u s i n g a - ; i n g l e m o t o r a n d i s f i x e d t o t h e m o v i n g e x t r e m i t y o f t h e l e g . ~licro-controller b a s e d c o n t r o l s y s t e m ( F i g u r e . 3 . 5 ) i s u s e d t o c o n t r o l t h e e n t i r e r o b o t . I n p u t p a r a m e t e r s f o r t h e c o n t r o l s y s t e m a r e r e t r i e v e d f r o m l e g / g r i p p e r s e n s o r p a i r s . I ' - ' g s e r v o m o t o r s a n d g r i p p e r s e r v o m o t o r s a r e c o n t r o l l e d b y t h e c o n t r o l u n i t b a s e d o n t h e i n p u t f e e d b a c k s i g n a l s a n d r e q u i r e d f u n c t i o n s t o b e p e r f o r m e d . 4 . 2 . T h e K i n e m a t i c s A n a l y s i s \ c c u r a t e c a l c u l a t i o n o f t h e f o o t p o s i t i o n i s n e c e s s a r y w h e n p r e c i s e f o o t p l a c e m e n t i s c r i t i c a l . s u c h a s w h e n r o b o t i s n a v i g a t i n g o n r o u g h o r o t h e r w i s e u n e v e n t e r r a i n . l f t h e r o b o t i s p r o v i d e d w i t h t h e a b i l i t y t o s e l e c t i t s f o o t p l a c e m e n t s i t m u s t b e a b l e t o m o v e t h e l e g t o t h e a p p r o p r i a t e p o s i t i o n s . T h e p o s i t i o n o f t h e e n d e f f e c t o r s i n s p a c e c a n '-'~lsily b e c a l c u l a t e d i f t h e j o i n t a n g l e s a r e m e a s u r e d a s s h o w n i n F i g u r e 4 . 1 . F r a m e 0 . d e n o t e d , a n d i s c o n s i d e r e d t o b e a n i n i t i a l f r a m e o f r e f e r e n c e f o r t h i s c a l c u l a t i o n . T h i s f r a m e i s a t t a c h e d t o t h e r o b o t b o d y a n d w i l l t h u s m o v e \ \ i t h t h e r o b o t . F o r p r e s e n t p u r p o s e , i t c a n b e c o n s i d e r e d t o b e a n i n e r t i a l f r a m e . F r a m e 1 i s 1 6 a t t a i n e d v i a a r o t a t i o n a b o u t t h e Z O a x i s t h r o u g h a n g l e . F r a m e 2 i s a t t a i n e d v 1 a a t r a n s l a t i o n o f L 1 a l o n g t h e X 1 a x i s f o l l o w e d b y a r o t a t i o n a b o u t Z 1 o f - ( 1 8 0 - ) . 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S i m u l a t i o n m o d e l b l o c k s a r c c o n f i g u r e d b a s e d o n k i n e m a t i c s a n d d y n a m i c e q u a t i o n s d e r i v e d i n ~obot m o d e l i n g . T h e r o b o t s i m u l a t i o n m o d e l c o n s i s t s w i t h r o b o t c o n t r o l l e r s u b - s y s t e m a n d r o b o t m o d e l s u b - s y s t e m . T h e r o b o t c o n t r o l l e r s u b - s y s t e m g e n e r a t e s r e q u i r e d c o n t r o l s i g n a l s a n d t o q u e p r o f i l e s t o c o n t r o l t h e r o b o t . R o b o t m o d e l s u b - s y s t e m m o v e s i t s r o b o t l e g b a s e d o n t h e c o n t r o l s i g n a l s a n d t o r q u e v a l u e s g e n e r a t e d b y t h e r o b o t c o n t r o l l e r s u b - s y s t e m . . \ s s h o w n i n F i g u r e 5 . 1 s i m u l a t i o n m o d e l c o n s i s t s w i t h s e v e r a l a p p l i c a t i o n s t o g e t h e r . S i m M e c h a n i c s t o o l i s u s e d t o m o d e l t h e r o b o t m o d e l b a s e d o n t h e m a t h e m a t i c a l m o d e l d e r i v e d i n r o b o t m o d e l i n g . S i m M e c h a n i c s r e s u l t s c a n b e f e e d i n t o S i m u l i n k t o f u r t h e r a n a l y s i s o r t h e r o b o t m o v e m e n t . T o s i m u l a t e r o b o t i n v i r t u a l e n v i r o n m e n t V R r o o l b o x c a n b e c o n n e c t e d w i t h t h e S i m M e c h a n i c s m o d e l . U s i n g 3 0 m o d e l i n g s o l h v a r e s u c h a s S o l i d W o r k s . S o l i d E d g c . a n d e t c . V R M L m o d e l c a n h e e a s i l y d e v e l o p e d . T h i s V R M L m o d e l s h o u l d i m p o r t e d i n t o V R T o o l b o x t o a n i m a t e i t b a s e d o n t h e o u t p u t s i g n a l s f r o m t h e S i m M e c h a n i c s m o d e l . I n e r t i a , e t c . . . M o d e l A n a l y s i s ~-3-D_M_o-de_l_ ~ M a t l a b S i m M e c h a n i c s . - 1 M - a - t l - a b - S - i m - u - l i n - k - - . 1 ( S o l i d W o r k s , c = : : ) S o l i d E d g e . . . ) U 3 D M o d e l S i m u l a t i o n n R e s u l t s I S c o p e I • \ V R M L I M a t l a b V R T o o l b o x I > I X Y G r a p h I F i g u r e 5 . 1 : S i m u l a t i o n a r c h i t e c t u r e 2 R " 5 . 2 . T w o L i n k s R o b o t L e g S i m u l a t i o n ""'l-'""''1~~~ I : [ ' : : ' j L ' 1 n k 1 l •,,-,['~· L i n k z m . m ' : I " ' " 1 0 / ~~--~ ~~~ ' - - 4 p , , , , l , , ' < _ , I / ~- , j , ~ : I / I [ ' " ' / ] ' • I i ' l . . _ . L l ] 0 " ' ' 0 " " " " - 1 ~-- ' ~· ' . 1 · : - · 1 . 1 1 . 1 1 1 L t : I t = L i ' • U l I - - - . . r - J ' , , ' ' ' ! l ' ' " ' !+:~·en m m m n m n : - T ) l i p:;J~ < ~· - - - - . , -· - - - - " ' " " ' " · @ 1 i ' ' ' j i -:'.·:~ :·.~''"'-' . : " " ' ' " ' ' - - - - : J-:~-~-~ I I - - - - - - - - - _ _ _ _ _ I ~ --~ ;--.:.!-=-=~..~- _ , l__~_r " B l J ! I ! . r C : : J I : - - - - - , F ~Ground ' - - - - - - t : : : = : t 1 _ _ _ : G - c ''"t-,-,-~' : ' ~ - / t 0 . • . - : ; ~ , , ; : F i g u r e 5 . 2 : R o b o t m o d e l s u b - s y s t e m _ _ ' : : : : : : : : : : : : f : : : : : : : : _ _ ~ E n v i r o n m e n , , " h " ' [ , . J E'IVI(')r'of,l~t·tt_J ! ' h e r o b o t m o d e l s u b - s y s t e m ( F i g u r e 5 . 2 ) d e f i n e s t h e e n v i r o n m e n t v v h e r e t h e s i m u l a t i o n r u n s . w o r l d c o o r d i n a t e s y s t e m a n d e a c h r e v o l u t e j o i n t a n d l i n k s o f t h e r o b o t l e g . J o i n t a c t u a t o r s a n d j o i n t s e n s o r s a r e u s e d t o c o n t r o l a n d s e n s e t h e e a c h j o i n t m o v e m e n t . R o b o t l e g m o v e m e n t s i m u l a t i o n i s s h o w n i n f i g u r e 5 . 3 . I -~ ~ 2 ;[_ _ _ - - - - - . { 1 - - - - J o 1 n t 2 c e c t e c of~~nter o f m a s s A c t u a t o r 2 I L 1 n k 1 o m t 1 ~ - I~=·- ~~ . 1 - I J - C 1 1 A c t u a t o r 1 F i g u r e 5 . 3 : R o b o t l e g m o v e m e n t s i m u l a t i o n 2 9 . . . D i f f e r e n t r o b o t m o v e m e n t s a n d e f f e c t o f e n v i r o n m e n t f a c t o r s t o t h e r o b o t m o v e m e n t c a n b e s i m u l a t e d b y c h a n g i n g t h e c o n f i g u r a t i o n s e t t i n g s o f t h e m o d e l . ! h e r o b o t m o d e l s u b - s y s t e m c o n s i s t s w i t h e n v i r o n m e n t , g r o u n d . l i n k 1 a n d l i n k 2 b l o c k s . L i n k 1 a n d l i n k 2 a r e a c t u a t e d u s i n g j o i n t a c t u a t o r 1 a n d j o i n t a c t u a t o r < J b l o c k s . E a c h l e g i s c o n s t r u c t e d u s i n g a r e v o l u t e j o i n t b l o c k a n d b o d y b l o c k . A n g u l a r V e l o c i t y ( d e g / s ) 1 0 0 ,.-------~-----~ I 5 0 j 0 ( - 5 0 l - 1 0 0 L _ _ _ _ _ _ _ . . . . . _ _ _ _ _ _ _ _ _ J ~ 0 ~ A n g l e ( d e g ) F i g u r e 5 . 4 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 1 " ' P h a s e s p a c e p l o t ( F i g u r e 5 . 4 ) o f j o i n t 1 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f t h e a n g u l a r v e l o c i t y a g a i n s t t h e a n g l e o f j o i n t 1 . T h e g r a p h s h o w s t h e s m o o t h o p e r a t i o n o f j o i n t 1 a n d s m a l l d e v i a t i o n a t t h e m a x i m u m a n g l e v a l u e s . 3 0 0 2 0 0 1 0 0 A n g u l a r V e l o c i t y 0 ( d e g / s ) . o o 2 0 0 - 3 0 0 0 2 0 4 0 6 0 A n g l e ( d e g ) F i g u r e 5 . 5 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 8 0 1 0 0 F i g u r e 5 . 5 s h o w s t h e p h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 a n d t h e v a r i a t i o n o f t h e a n g u l a r \ c l o c i t y a g a i n s t t h e a n g l e o f j o i n t 2 . P h a s e s p a c e p l o t o f l i n k 1 i s s i m i l a r t o a n e l l i p s e . b e c a u s e o r t h e c o n s e r v a t i o n o f t o t a l e n e r g y i s c o n s t a n t a n d i s t h e i n e r t i a l m o m e n t o r 3 0 t h e l i n k I a b o u t i t s p i v o t p o i n t . S m a l l v i b r a t i o n o n l i n k 2 i s r e s u l t e d t o s m a l l d e \ i a t i o n s o n p h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 . b u t t o t a l e n e r g y c o n s e r v a t i o n o f l i n k 2 i s a l s o s t a b l e . D e v i a t i o n s a t p h a s e s p a c e p l o t o f l i n k 2 c a n b e r e d u c e d t o e l l i p t i c a l s h a p e b y a d j u s t i n g m a s s a n d c e n t e r o f m a s s o f l i n k 2 . S m a l l d i s t u r b a n c e s a t l i n k s r e s u l t t o e n e r g y l o s s a n d a s t h e a m p l i t u d e o f a n g u l a r v e l o c i t y a n d a n g l e d e c r e a s e . t h e p h a s e d i a g r a m s p i r a l s i n w a r d s . ; F i g u r e 5 . 6 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 F i g u r e 5 . 6 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 . T h i s g r a p h i l l u s t r a t e s t h a t h o w r o b o t l e g j o i n t f u n c t i o n s v e r y s m o o t h l y . r i g u r e 5 . 7 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 2 r i g u r c 5 . 7 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 2 . . J o i n t s e n s o r b l o c k s a r e u s e d t o s e n s e a n g u l a r v e l o c i t y a n d a n g l e o f e a c h j o i n t . B o d y 3 1 s e n s o r b l o c k s a r e u s e t o s e n s e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f c e n t e r o r m a s s o r e a c h l i n k . ~ F i g u r e 5 . 8 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 1 c e n t e r o f m a s s f i g u r e 5 . 8 a n d F i g u r e 5 . 9 s h o w t h e b e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k c e n t e r o f m a s s . T h e d i r e c t i o n a l i t y o f t h e r e v o l u t e j o i n t a s s u m e s t h a t t h e r o t a t i o n a x i s l i e s i n t h e + z d i r e c t i o n a n d m o v e m e n t s o n + z d i r e c t i o n i s z e r o . F i g u r e 5 . 8 a n d f i g u r e 5 . 9 s h o w t h e m o v e m e n t o f l i n k 1 i s s m o o t h t h a n m o v e m e n t o f 1 i n k 2 . I n g e n e r a l b o t h l i n k s a r e m o v i n g s t e a d i l y a n d s m o o t h l y \ \ i t h o u t h a v i n g j e r k y m o v e m e n t s . F i g u r e 5 . 9 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 2 c e n t e r o f m a s s ' " ' ' ! -'~ 5 . 3 . T h r e e L i n k s R o b o t L e g S i m u l a t i o n T w o l i n k s r o b o t l e g s i m u l a t i o n i n p r e v i o u s s e c t i o n i s a b o u t h o w c o n t r o l e a c h r o b o t l e g u s i n g t w o a c t u a t o r s a t e a c h j o i n t o f t h e l e g . T h e d r a w b a c k o f t h e t w o l i n k s r o b o t l e g d e s i g n i s t h e r o b o t d e s i g n i s l i t t l e c o m p l e x a n d n e e d e d t w o a c t u a t o r s f o r a s i n g l e l e g . \ l s o p r e v i o u s s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w s t h a t l i n k 2 a n d j o i n t 2 a r e n o t a c t u a t e d w r y s m o o t h l y . F i g u r e 5 . 7 s h o w s h o w a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 2 d e v i a t e s f r o m t h e s m o o t h l i n e a n d m a k e s o m e v i b r a t i o n s o n l i n k 2 . F i g u r e 5 . 9 s h o w s h c n ' v v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f c e n t e r o f m a s s o f l i n k 2 v i b r a t i n g a n d m a l & s o m e n o i s e s a g a i n s t t h e s m o o t h o p e r a t i o n o f r o b o t l e g . B y i n t r o d u c i n g t h i r d f r e e l i n k i n b e t w e e n r o b o t f o o t f r e e e d g e a n d t h e r o b o t b o d y , i t i s p o s s i b l e t o a c h i e v e m u c h h i g h e r s o f t n e s s o f o p e r a t i o n o f t h e r o b o t l e g . I n a d d i t i o n t o t h e s m o o t h o p e r a t i o n o f t h e r o b o t l e g , t h i s d e s i g n l e a d t o r e d u c e t h e c o m p l e x i t y o r t h e r o b o t d e s i g n b y a v o i d i n g o n e a c t u a t o r f o r e a c h l e g . L i n k 2 j'Ff~-- F i g u r e 5 . 1 0 : T h r e e L i n k s R o b o t m o d e l s u b - s y s t e m " " . ) _ ) F i g u r e 5 . 1 0 s h o w s e n v i r o n m e n t g r o u n d , l i n k ! , l i n k 2 a n d f r e e l i n k m o d u l e s o f r o b o t m o d u l e s u b - s y s t e m . E n v i r o n m e n t a n d g r o u n d b l o c k s a r e u s e d t o p a r a m e t e r i z e t h e g e n e r a l p a r a m e t e r s f o r e n t i r e m o d e l s u c h g r a v i t a t i o n a l f o r c e s . . . e t c . J o i n t 2 C e n t e r o f m a s s L i n k 1 . _ . _ . . . . . _ . _ . . i / _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ - - - - - - - - - - d - - - - - J o i n t ; 1 - - - - - - - - - - - - - - ~--- - C I 2 - 1 ] 1 5 - I J I - 1 ] 1 ] 5 ) : - 3 / I S I ] F i g u r e 5 . 1 1 : T h r e e L i n k s r o b o t l e g m o v e m e n t s i m u l a t i o n I ] 1 ] 5 [ t 1 F i g u r e 5 . 1 1 i l l u s t r a t e s t h e s i m u l a t i o n o u t p u t o f t h r e e l i n k s r o b o t m o d e l s u b - s y s t e m . T h i s s h o w s l i n k 1 , 1 i n k 2 , f r e e l i n k a n d b e h a v i o r o f t h e i r c e n t e r o f m a s s . A d d i t i o n a l l y i t s i m u l a t e s j o i n t 1 a n d j o i n t 2 . A n g u l a r V e l o c i t y ( d e g / s ) > : : . . , . . . P l o t 1 1 ] 1 ] , - - - - - - - - - - , - - - - - - - - - - 5 1 ] / ) · [ I . / ' / / , r - 5 D - 1 [ I I ] ' - - - - - - - - - ' - - - - - - - - _ _ j - 5 1 ] I ] A n g l e ( d e g ) 5 1 ] F i g u r e 5 . 1 2 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 1 3 4 F i g u r e 5 . 1 2 s h o w s p h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 1 a n d t h e e l l i p t i c a l s h a p e o f t h e g r a p h p r m e t h a t t h e t o t a l e n e r g y c o n s e r v a t i o n o f j o i n t 1 i s s t a b l e . A n g u l a r V e l o c i t y ( d e g / s ) > : ' ' ( P l o t 1 1 ] 1 ] , - - - - - - - - - - - - - - - - . - - - - - - - - - , 5 1 ] I ] ' ( . . . . . · / · , . , · · I ( ) . . . . . . . " - - - - - = - - - - - - - - · · · · · · · / / ' - 5 1 ] - 1 [ 1 1 ] _--------~]------- - : : - 5 1 _ 1 I ] A n g l e ( d e g ) 5 1 ] F i g u r e 5 . 1 3 : P h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 F i g u r e 5 . 1 3 i s a l s o s h o w s t h e p h a s e s p a c e p l o t o f j o i n t 2 a n d s a m e a s p r e v i o u s \ v e c a n c o n c l u d e t h a t t o t a l e n e r g y c o n s e r v a t i o n a t j o i n t 2 i s s t a b l e . F i g u r e 5 . 1 4 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 3 5 F i g u r e 5 . 1 4 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 1 . S i n u s o i d a l s h a p e o f g r a p h s h o w h o w s m o o t h l y j o i n t 1 i s f u n c t i o n i n g . F i g u r e 5 . 1 5 : V a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f j o i n t 2 F i g u r e 5 . 1 4 s h o w s t h e v a r i a t i o n o f r e v o l u t e j o i n t a n g l e a n d a n g u l a r v e l o c i t y o f ' j o i n t 2 . S i n u s o i d a l s h a p e o f g r a p h s h o w h o w s m o o t h l y j o i n t 2 i s f u n c t i o n i n g . A . . . . . . . . . . . . F i g u r e 5 . 1 6 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f l i n k 1 c e n t e r o f m a s s 3 6 . . . . F i g u r e 5 . 1 6 a n d F i g u r e 5 . 1 7 s h o w B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f l i n k 1 c e n t e r o f m a s s a n d l i n k 2 c e n t e r o f m a s s . F i g u r e 5 . 1 7 : B e h a v i o r o f t h e p o s i t i o n , v e l o c i t y a n d a c c e l e r a t i o n o f e a c h l i n k 2 c e n t e r o f m a s s F i g u r e 5 . 1 8 s h o w s h o w S i m M e c h a n i c s a n d V R M L c o m b i n e t o g e t h e r u s i n g V R S i n k b l o c k . F i g u r e 5 . 1 9 i l l u s t r a t e s S i m M e c h a n i c s b l o c k s o f f r o n t l e f t l e g a n d f r o n t r i g h t l e g b l o c k s . V R S i n k b l o c k p a r a m e t e r s s h o u l d c o n f i g u r e d a c c o r d i n g l y t h e s i m u l a t i o n a n d F i g u r e 5 . 2 0 s h o w s t h e d i f f e r e n t c o n f i g u r a t i o n o p t i o n s . F i g u r e 5 . 2 1 i s a b o u t h o w t o d e v e l o p V R M L m o d e l u s i n g V - R e a l m B u i l d e r t o o l w h i c h i s b u i l t i n w i t h M a t l a b t o o l s e t . F i g u r e 5 . 2 2 d e t a i l s h o w t w o l e g r o b o t s i m u l a t i o n h a p p e n i n g o n V R M L v i e w e r . 3 7 . . . . ·~ r - · · - · · J i - - - " · - - / - - , H - · . " - . I ; ~I . : , U h-·.,:rl~r" C o n t r o l S u b s y s t e m s ~-~~~-c1 ' - ' - ' r d r c • i _ · : , , , [,_;-~:rl~'n 1 r · - ---l~...c!iiiiJ&•• _ _ . . L , . : - · _ _ _ r - , - i F I i - - - - - ; B l 1 r o n t 1 _ \ i l l j · L e f t • • • ~ e : h J I L e g I L___~_l~tt I~(J _ I 1 - ' 3 1 - ; l n 3 I 8 1 J i l d e r r l c o : > r d . I I F r o n t R i g h t L e g I ft(ont_IIJ~·t_l.,g j = • I O ' " ' O d ' i l M , . , r , c · e o : ' , Enr1rorrm~nt " c u r . 2 ~ d ' ' " ' " " ' c V R S i n k ~ -r.~:;·r.-·~-Trtrf.-:, ~rJn?r • r m r · ) i J ! i r ! F i g u r e 5 . 1 8 : S i m M e c h a n i c s a n d V R M L c o m b i n e t o g e t h e r u s i n g V R S i n k b l o c k F i g u r e 5 . 1 8 i l l u s t r a t e s h o w S i m M e c h a n i c s b l o c k s a n d V R M L m o d e l c o m b i n e d t o g e t h e r u s i n g V R S i n k b l o c k t o s i m u l a t e V R M L 3 D m o d e l b a s e d o n S i m M e c h a n i c s o u t p u t s . -~ ,,_,_.~,., : "'~-- I_,..~~'"".''' 1 · c ' l ~ ~ I L _ i ' . ' L 'e•.-.ol•"t~ , ~ J · m t k t · . J t · · r _ 2 I · G > I I _ _ _ l _ _ j . . . _ _ l ~ . . I R e • . • : = · l • _ j l _ e _ _ I X I ~'rapt-1 ~~ I I I I ·lJ"~"] I ~~= R c o t 3 ' t i C J f l r . . t n n • c r • n l t o \ 1 R M L P o t a t r o n I - - - - t l l , I ' . : _ " ; " · : If~t + J l L : . 1 . ' i . - ' _ _ _ n _ _ r _ _ 2 _ _ I I [':,_~ , , • • , _ , , , , _ ' I · \ · C - l l l _ _ , c c · I ~ • I {~lt~ ' -~ .~.__ • / - ' ' " " "CD~C'·~ t • o \ r R M L R o t a t l • . • r l 1 F i g u r e 5 . 1 9 : S i m M e c h a n i c s b l o c k o f e a c h l e g o f F i g u r e 5 . 1 8 3 8 F i g u r e 5 . 1 9 s h o w s t h e S i m M e c h a n i c b l o c k s o f e a c h l e g i n t h e m o d e l d e s c r i b e d i n F i g u r e 5 . 1 8 . J o i n t s e n s o r b l o c k s a n d b o d y s e n s o r b l o c k s a r e u s e d t o r e a d S i m M e c h a n i c s o u t p u t s i g n a l s a n d c o n v e r t t h o s e o u t p u t s i g n a l s t o m a t r i x f o r m u s m g R o t a t i o n M a t r i x t o V R M L R o t a t i o n b l o c k s . . . ) ; P a r a m e t e r s : V R S i n k ~~~ S t n f ~.trr,ul,nf; · i a l u e s . t ' J " · w t u a l , • v o r l r J n o c l e T i e k J : : F t e l d - s t o b e w r r t t e n a r e r n a r h ' e d d1t'd.L"~' e o t n t h e t r e e E · · i e r . . , . . m a r k e d f t e l d ' = o r r e : : p m l d ~to a n t n p u t p o r t o t t h e b l o c k r o r l d p r o r : e r t t e s . - c , u · [ e t t l e I·Jisdn:;~l·:'1·~,.·1y ['ocumertt:·~est3.i•vrl ~~] , . . ' " ' ' ' l I E d r t I I R e l o a c l J I - I I r t ~:11 , t D ' : • r e r - . · · . / F : r • . • 1 L · · . · ' l e ' · N e r a,rt~=~rnatt.:al,y 0 v t e \ " i l t l g t t c • r n t h e · n t e r n e t l • e o , = r t p t t , = n Bl~xk pr,=~pert1e-:: ~ O l t r q : o l e : 1 n 1 e 1 - ' f , = r t n h e r r t J ' · . / F ' \ • 1 L T r e e 0 ·~.ho·~v n o c 1 e t v p e s 0 S h O ' f i f i e l d t y p e : . : . _ R O O T + • t : B a c k g r o u n d ) - . . A n t C , r o u p - 3 - l n t m S - t r a n s t o r r n L T t a m f o n n l X a d d 0 1 t l d t t " n tMFI·~ode) X r e r n o v e ( f - , t l , : l r e n i ' M F r · . J o c J e J D ' = e n t e r ( S F V e ' : 3 t l [ 2 ] rotah~'n t S ! O " F i ' o t a f l , : . n ) D 2 c a l e t S F / e c 3 f ) 0 s c a l e 0 n e n t a 1 t o n ( S F R o t a t t o n ) 0 t r a n s l a t t o n ( S F \ I e c 3 1 ) D bbox,~enter r~.F\ 1 f:C3i) D b b o , S t z e l S F V e c 3 f 1 + ~ c h t l d r e n 1 M n - J o d e ) - ~ J . . : . . n t g r o u p - 4 - l n t r p ? - t r a n s i o r t r 1 ( T r a n s - t o r r r 1 ) X _ , c l d C h . l d r e n t M F t . J o d e J X r e m o v e C h t l d r e n ( M F r · . J o d e J D c e n t e r ( S F V e c 3 f J r . 7 l . ~· -->·~·- • : - " L C • - + - • • - • · > ; c=J~GU~ F i g u r e 5 . 2 0 : V R S i n k b l o c k p a r a m e t e r s V R S i n k p a r a m e t e r b l o c k i s u s e d t o p a r a m e t e r i z e t h e V R M L e n v i r o n m e n t a n d V R M L T r e e n o d e s . B Y - R w h B u l l d • r 2 . 0 - ( C : l D a c u m . n t s a n d S . t t l n p \ N n • n w l a ' t M y D o c : u m e n t t \ l l h t l . w r Q ~~~ ~ ~e ~jt ll~'' , c ; · ' ~ , I ' " J _ Y j ~_j _ I j_j_j~_l QJ~ 2 J ' 2 , 1r'~"J[C;!I , > _ ; ± [ · ; · L i ' .ill£'~~ I*~ _ j l i = c l l j : o ' - ' ' - l j c _ j : 1 J , i f J ' ; ~,..:J :1'::]~~ , . : 1 _ ! 1 1 ~~ l : ¥ f ' - = F F i g u r e 5 . 2 1 : D e v e l o p V R M L m o d e l u s i n g V - R e a l m B u i l d e r t o o l 3 9 -V - R e a l m B u i l d e r t o o l c a n b e u s e d t o m o d e l o u r V R M L m o d e l . T h i s i s j u s t a V R M L m o d e l i n g t o o l a n d n o t a s i m u l a t i o n t o o l . B u t u s i n g V R S i n k b l o c k w e c a n c o n n e c t S i m M c c h a n i c s o u t p u t s i g n a l s t o V R M L m o d e l t o s i m u l a t e i t a c c o r d i n g t o S i m M e c h a n i c s o u t p u t s i g n a l s . N o v i e 1 1 \ I P 0 1 n t D i r : [ o . : . 2 o . o o - 0 . : 3 5 ] F i g u r e 5 . 2 2 : T w o l e g r o b o t s i m u l a t i o n o n V R M L v i e w e r F i n a l l y F i g u r e 5 . 2 2 s h o w h o w t w o l e g s r o b o t i s m o v i n g f o r w a r d i n V R M L v i e w e r i n a c c o r d a n c e t o t h e S i m M e c h a n i c s o u t p u t s i g n a l s . 5 . 4 . R o b o t C o n t r o l S y s t e m T h e r o b o t c o n t r o l s y s t e m ( f i g u r e 5 . 2 3 ) i s b a s e d o n t h e P I C 1 6 F 8 X X m i c r o - c o n t r o l l e r s . E a c h l e g i s c o n t r o l l e d b y a d e d i c a t e d m o t o r a n d a n o t h e r i s u s e d t o c o n t r o l a g r i p p e r o f t h e l e g . T h e s e t w o m o t o r s a r e c o n t r o l l e d b y a s i n g l e c o n t r o l l e r b o a r d . T h e m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d i s c a p a b l e o f c o n t r o l l i n g i n d i v i d u a l l e g a n d i t s g r i p p e r . C o n t r o l u n i t i s u s e d t o s y n c h r o n i z e f o u r c o n t r o l l e r b o a r d s a n d p e r f o r m e n t i r e r o b o t f o r w a r d a n d b a c k w a r d m o v e m e n t s . I n d i v i d u a l s e n s o r s i g n a l s f r o m l e g s e n s o r s a r e u s e d a s f e e d b a c k s i g n a l s t o t h e c o n t r o l u n i t o f t h e r o b o t . 4 0 -~-L~< 1 " " " " ' " - ·-.~ r r : : ; : ; " " " ' " . l I I - - - - - - - - - - I I D ' - - - - - - - - - - - - - - ~,,-,"· ' : o n t t o J : E , : . a . J d l ~ ~.,1~~' -CL,~:'''"M'ro' ~,~. · Y .~··,.y J J C o r d : : r : ' : , ] B , : : 8 . 1 d 4 ~t& v L•g~~ - C L ~~npp8J.•!ok' 1--~ X;-~ F i g u r e 5 . 2 3 : R o b o t c o n t r o l s y s t e m " ' I n d i v i d u a l m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d ( F i g u r e 5 . 2 4 a n d F i g u r e 5 . 2 5 ) i s c a p a b l e o f c o n t r o l l i n g l e g m o t o r a n d g r i p p e r m o t o r o f e a c h l e g . C o n t r o l u n i t s e n d s c o n t r o l s i g n a l s t o t h i s b o a r d a n d b a s e d o n t h e m . m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d c o n t r o l s r e s p e c t i v e m o t o r s . C o n t r o l u n i t s e n d s o n l y h i g h l e v e l c o n t r o l s i g n a l s t o c o n t r o l e a c h l e g a n d c o n t r o l l e r b o a r d i t s e l f i n t e l l i g e n c e e n o u g h t o e x e c u t e l o w l e v e l f u n c t i o n s f o r i n d i v i d u a l l e g a n d i t s g r i p p e r . T h i s d e c o m p o s i t i o n o f h a r d w a r e a n d s o f t w a r e c o m p o n e n t s o f t h e r o b o t i s n e c e s s a r y t o r e d u c e t h e c o m p l e x i t y o f t h e r o b o t i m p l e m e n t a t i o n . C o m p l e t e r o b o t i s o n l v n e e d e d o n e c o n t r o l u n i t b o a r d a n d f o u r m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d s . A l l f o u r m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d s a r c i d e n t i c a l . O n l y t w o s o f t w a r e p i e c e s a r c n e e d e d a n d o n e f o r c o n t r o l u n i t a n d o t h e r f o r e a c h c o n t r o l l e r b o a r d . A l l f o u r m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d s a r e s h a r i n g s a m e m o t o r c o n t r o l l e r s o f t w a r e a l g o r i t h m . B y d e c o u p l i n g t h e c o m p l e x i t y o f t h e c o n t r o l s o f t w a r e a l g o r i t h m s , i t i s l e s s c o m p l e x t o d e v e l o p t h e m a n d t e s t t h e m i n d i v i d u a l l y . I n d i v i d u a l l y t e s t e d c o m p o n e n t s c a n b e i n t e g r a t e d a n d p e r f o r m i n t e g r a t e d t e s t i n g f o r o v e r a l l p e r f o r m a n c e o f t h e r o b o t . 4 1 M 1 c r o c o n t r o l i e r t I I • g - - 1 1 - l f " c · o · · · · - " · 9 f -~···· : .~ H * ' + . . . • [ H q · - L _ _ j . · - H - B r i d g e · f * ' ~ .~. * ' 0 ; - F i g u r e 5 . 2 4 : C i r c u i t d i a g r a m o f m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d P l C 1 6 F 8 7 7 J \ m i c r o - c o n t r o l l e r i s u s e d t o d e v e l o p t h e m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d . F o u r P W M s i g n a l s a r c g e n e r a t i n g u s i n g m i c r o - c o n t r o l l e r a n d f e e d i n t o I l - B r i d g e c i r c u i t t o c o n t r o l t w o D C m o t o r s . D C m o t o r o u t p u t s M i c r o - c o n t r o l l e r H - b r i d g e I n d i c a t o r s O p e n c o n n e c t o r s P o w e r c o n t r o l l e r F i g u r e 5 . 2 5 : M o t o r c o n t r o l l e r b o a r d F i g u r e 5 . 2 5 s h o w s t h e d e v e l o p e d m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d a n d i t s c o m p o n e n t s . T h i s b o a r d i s c a p a b l e o f c o n t r o l t w o D C m o t o r s . F i v e s e n s o r s i g n a l s c a n b e f e e d i n t o t h e b o a r d a n d b e h a v i o r o f t w o m o t o r s c a n b e c o n t r o l l e d a c c o r d i n g l y . 4 2 -5 . 5 . R o b o t I m p l e m e n t a t i o n R o b o t f o o t R o p e S e n s o r R o b o t R o b o t l e g G e a r D C m o t o r s M o t o r c o n t r . o l l e r b o a r d F i g u r e 5 . 2 6 : T w o l e g r o p e c l i m b i n g r o b o t p r o t o t y p e F i g u r e 5 . 2 6 s h o w s t w o l e g s r o b o t p r o t o t y p e d e v e l o p e d f o r t e s t i n g p u r p o s e s . T h i s p r o t o t y p e u s e s p r e v i o u s d e s c r i b e d m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d a n d t w o g e a r D C m o t o r s . E a c h l e g h a s t w o s e n s o r p a i r t o d e t e c t p o s i t i o n o f t h e l e g . F r e e l i n k M i c r o - c o n t r o l l e r _ _ _ . . . . . . . . . . . . M o t o r c o n t r o l l e r b o a r d F i g u r e 5 . 2 7 : R o b o t p r o t o t y p e a n d i t s c o n f i g u r a t i o n R o b o t G e a r D C m o t o r 4 ' ) _ , \ , . - F i g u r e 5 . 2 7 s h o w s h o w t h e m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d a n d g e a r D C m o t o r s f i x w i t h t h e r o b o t p r o t o t y p e . A l s o t h i s f i g u r e c l e a r l y s h o w s h o w f r e e l i n k h a s u s e d . R o b o t F i g u r e 5 . 2 8 : ( a ) R o b o t c l i m b o n h o r i z o n t a l r o p e , ( b ) R o b o t c l i m b d o w n a n d ( c ) r o b o t c l i m b u p l \ \ o l e g s r o b o t p r o t o t y p e i s d e v e l o p e d a n d t e s t e d s u c c e s s f u l l y t o d e m o n s t r a t e t h e p r o p o s e d s o l u t i o n . T h e r o b o t p r o t o t y p e i s d e v e l o p e d u s i n g P I C 1 6 F 8 7 7 m i c r o - c o n t r o l l e r b a s e d c o n t r o l l e r b o a r d a n d g e a r D C m o t o r s . F i g u r e 5 . 2 6 s h o w s t h e d e v e l o p e d r o b o t p r o t o t y p e a n d F i g u r e 5 . 2 7 s h o w s h o w t h e m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d a n d m o t o r s f i x e d w i t h t h e r o b o t b o d y . F i g u r e 5 . 2 8 ( a ) i s a s n a p s h o t o f r o b o t i s m o v i n g h o r i z o n t a l l y o n t h e r o p e . R o b o t c a n c l i m b u p w a r d a n d d o w n w a r d a s s h o w n i n f i g u r e 5 . 2 8 ( b ) a n d f i g u r e 5 . 2 8 ( c ) . 4 4 \ I . , \ . , I I ! ' C h a p t e r 6 6 . A p p l i c a t i o n s a n d R e s u l t s o f t h e d e v e l o p e d s o l u t i o n 6 . 1 . A p p l i c a t i o n s o f t h e p r o p o s e d s o l u t i o n ! h e p r o p o s e d r o b o t s o l u t i o n c a n b e a p p l i c a b l e i n v a r i o u s p r a c t i c a l s i t u a t i o n s t o h e l p h u m a n s i n t h e m e a n s o f r e d u c e t h e i r w o r k , p r o t e c t t h e m f r o m i n s e c u r e e n v i r o n m e n t s , i n c r e a s e p r o d u c t i v i t y a n d r e s e a r c h p e r s p e c t i v e . A l t h o u g h w h e e l e d t y p e r o b o t s a r e p e r f o r m w e l l i n s m o o t h e n v i r o n m e n t s , t h e y a r e n o t e f f e c t i v e o n u n e v e n o r r o u g h s u r f a c e s . O n e o f t h e b e s t a l t e r n a t i v e f o r w h e e l e d t y p e r o b o t s a r e l e g g e d t y p e r o b o t s . B u t l e g g e d t y p e r o b o t i s a l s o h a v i n g s o m e l i m i t a t i o n s w h e r e r o p e c l i m b i n g r o b o t s c a n o p e r a t e o n s u c h s c e n a r i o s m u c h e f f e c t i v e l y . P r a c t i c a l a p p l i c a t i o n s o f t h e p r o p o s e d r o b o t d e s i g n d i s c u s s e s b e l o w . 6 . 1 . 1 . R e s c u e o p e r a t i o n s T h e p r o p o s e d r o b o t i m p l e m e n t a t i o n c a n b e e f f e c t i v e l y u s e d i n r e s c u e o p e r a t i o n s w h i l e r e d u c e t h e u n d e r l i n e r i s k o n t h e r e s c u e o t 1 1 c e r . R o b o t c o u l d b e a b l e t o c l i m b u s i n g r o p e s o r a n y m e d i a a l r e a d y e x i s t i n t h e e n v i r o n m e n t t h a t c a n b e u s e d t o c l i m b . P r i m a r i l y t h i s r o b o t h a s d e s i g n e d t o w o r k w i t h v a r i o u s t y p e s a n d s i z e s o f r o p e s . T h i s f e a t u r e e n a b l e s u s t o u s e v a r i o u s m e d i a t h a t i s a l r e a d y a v a i l a b l e i n t h e e n v i r o n m e n t f o r r o b o t o p e r a t i o n . D u e t o t h i s r e a s o n t h i s r o b o t c a n b e e a s i l y u s e d i n v a r i o u s p r a c t i c a l s i t u a t i o n s . F o r e x a m p l e , i f t h e r e s c u e o f f i c e r w a n t s t o g o i n t o f i r e e f f e c t e d b u i l d i n g . b u t h e i s i n c a p a b l e o f f i x i n g t h e i r l a d d e r s . B u t i f t h e b u i l d i n g i s a l r e a d y h a v i n g s o m e r o p e l i k e m e d i a s u c h a s b u n d l e o f e l e c t r i c i t y c a b l e s o r s o m e p i p e l i n e s t h a t t h e r o b o t m i g h t b e a b l e t o u s e t h e m a s a r o p e t o c l i m b a n d e n t e r i n t o t h e b u i l d i n g . T h i s m e t h o d m i g h t h a v e a s s o c i a t e d r i s k b u t s t i l l t h e o p e r a t o r c a n t a k e t h e r i s k s i n c e h u m a n o p e r a t o r 1 s 1 1 1 s e c u r e . 6 . 1 . 2 . W o r k i n h a z a r d o u s e n v i r o n m e n t s A s d i s c u s s e d i n p r e v i o u s s e c t i o n t h i s r o b o t i s i d e a l f o r u s e i n i n s e c u r e e n v i r o n m e n t s . 1 \ o t o n l y f o r r e s c u e o p e r a t i o n s b u t a l s o t h e r o b o t c a n b e u s e d t o r e a c h i n s e c u r e e n v i r o n m e n t s a n d p e r f o r m v a r i o u s a c t i v i t i e s s u c h a s t a k e p h o t o g r a p h s , v i d e o o u t t h e 4 5 s c e n a r i o . . . e t c . V o l c a n o , t o x i c g a s a f f e c t e d b u i l d i n g s , n u c l e a r p l a n t s . . . e t c c a n b e c o v e r e d b y t h e r o b o t . 6 . 1 . 3 . R e s e a r c h a c t i v i t i e s T h e s i m i l a r r o b o t d e s i g n s a r e h e a v i l y u s e d i n v a r i o u s r e s e a r c h a c t i v i t i e s i n d i i T c r e n t g e o g r a p h i c a l l o c a t i o n s . R e s e a r c h p e r f o r m i n i n s e c u r e l o c a t i o n s , l o c a t i o n s t h a t d i f f i c u l t t o r e a c h c a n b e c o v e r e d b y t h e r o b o t a n d p e r f o r m s p e c i f i c r e s e a r c h a c t i v i t i e s . A l s o t h i s k i n d o r r o b o t c a n b e u s e d t o d i s c o v e r n e w l o c a t i o n s a n d d o r e s e a r c h o n t h e m . I t m i g h t b e a h u g e r i s k t o a s s i g n h u m a n t h a n u s e s i m i l a r r o b o t a t i n i t i a l s t a g e s . L a t e r i f t h e l o c a t i o n i s s e c u r e d h u m a n r e s e a r c h e s c a n g o i n t o t h o s e l o c a t i o n s . 6 . 1 . 4 . F i e l d o p e r a t i o n s ! ' h e p r o p o s e d r o b o t c a n b e u s e d t o p e r f o r m v a r i o u s f i e l d o p e r a t i o n s t h a t c a n n o t b e p e r f o r m e d b y w h e e l e d v e h i c l e s . V a r i o u s m a c h i n e r y w o r k s o n r o c k s o r m o u n t a i n s a r e m u c h e a s i e r w i t h r o p e c l i m b i n g r o b o t s . S i n c e t h e d e v e l o p e d r o b o t i s f o u r l e g g e d r o b o t , i t s o p e r a t i o n s m u c h s m o o t h a n d i t i s c a p a b l e o f h a n d l i n g h e a v y o p e r a t i o n s . \ V h e e l e d t y p e r o p e c l i m b i n g r o b o t s m i g h t n o t b e a b l e u s e d i n s o m e a r e a s d u e t o t h e i r r e s t r i c t i o n s . 6 . 1 . 5 . S e a r c h o p e r a t i o n s V a r i o u s s e a r c h o p e r a t i o n s c a n b e c a r r i e d o u t e a s i l y a n d e f f e c t i v e l y b y u s m g r o p e c l i m b i n g r o b o t s t h a n w h e e l e d r o b o t s a n d s o m e o f t h e l e g r o b o t s . T h e r o b o t c a n b e u s e d i n d i s a s t e r s i t u a t i o n s , u n s a f e b u i l d i n g s a n d n u c l e a r c h e m i c a l e f f e c t e d a r e a s f o r c l e a r i n g a n d s e a r c h o p e r a t i o n s . 6 . 1 . 6 . M i l i t a r y o p e r a t i o n s D i f f e r e n t t y p e s o f r o b o t s a r e h e a v i l y u s e d i n m i l i t a r y o p e r a t i o n s a r o u n d t h e w o r l d . R o p e c l i m b i n g r o b o t s c a n b e u s e d i n m i l i t a r y o p e r a t i o n s s u c h a s s p y i n g , s e a r c h o p e r a t i o n s . a r e a c l e a r i n g a n d r e s c u e o p e r a t i o n s . . . e t c . 4 6 6 . 2 . R e s u l t s a n d A n a l y s i s B a s e d o n t h e R o b o t m o d e l c a l c u l a t i o n s . i t w a s p r o o f e d t h a t e a c h r o b o t l e g c a n b e c o n t r o l l e d b y a s i n g l e a c t u a t o r a n d e a c h g r i p p e r n e e d s a n o t h e r . F o r s t e a d y a n d s m o o t h o p e r a t i o n r o b o t i s f a b r i c a t e d w i t h f o u r l e g s a n d f o u r g r i p p e r s . A n y g i v e n t i m e f r a m e m i n i m u m t h r e e l e g s a r e p l a n n e d t o c o n t a c t w i t h t h e r o p e a n d g r i p p e r s o f t h o s e l e g s s h o u l d a t t a c h w i t h t h e r o p e . T h i s m e c h a n i s m w i l l i m p r o v e t h e s t e a d y m o v e m e n t o f t h e r o b o t c a r r y i n g w i t h w e i g h t o n i t . K i n e m a t i c s a n a l y s i s c o n c l u d e s t h a t r e l a t i o n s h i p b e t w e e n C a r t e s i a n v e l o c i t i e s a n d j o i n t v e l o c i t i e s d e p e n d o n S ; 1 T h a t m e a n b y c o n t r o l l i n g o n l y a n g l e f 3 . w e c a n c o n t r o l t h e r o b o t l e g . D y n a m i c a n a l y s i s i s b a s e d o n t h e N c v v t o n - E u l e r m e t h o d w i t h L u h - W a l k e r - P a u l ' s a l g o r i t h m ( R e c u r v i s e N e w t o n - E u l e r ) . T o r q u e p r o f i l e s o f e a c h l e g d e p e n d o n B , B J J , / 3 . f 3 a n g l e s . S i m u l a t i o n m o d e l o f t h e r o b o t i s d e v e l o p e d u s i n g S i m M e c h a n i c s a n d S i m u l i n k t o o l b o x e s o f M A T L A B s o f t w a r e a p p l i c a t i o n . P h a s e p l o t s o f t h e s i m u l a t i o n s h o w t h e s t a b i l i t y o f t h e t o t a l e n e r g y c o n s e r v a t i o n o f t h e r o b o t l e g . B y c o m p a r i n g s i m u l a t i o n r e s u l t s f o r t w o l i n k s r o b o t l e g s c o n f i g u r a t i o n a n d t h r e e l i n k s r o b o t l e g c o n f i g u r a t i o n w i t h f r e e l i n k , w e c a n c o n c l u d e t h a t t h r e e l i n k s r o b o t l e g c a n p e r f o r m i t s o p e r a t i o n a s s a m e a s t w o l i n k s r o b o t l e g . B u t t h r e e l i n k s r o b o t l e g w i t h f r e e l i n k h e l p t o r e d u c e n u m b e r o f a c t u a t o r s r e q u i r e d t o E 1 b r i c a t e t h e e n t i r e r o b o t . f u r t h e r i t f a c i l i t a t e t o c o s t c l l c c t i v c r o b o t i m p l e m e n t a t i o n . F i n a l l y 3 D r o b o t s i m u l a t i o n i s d o n e u s i n g V R M L r o b o t m o d e l a n d V R T o o l b o x o f M a t l a b a p p l i c a t i o n p a c k a g e . T h e r o b o t c o n t r o l s y s t e m i s b a s e d o n t h e P I C 1 6 F 8 X X m i c r o - c o n t r o l l e r s . E a c h l e g i s c o n t r o l l e d b y a d e d i c a t e d m o t o r a n d a n o t h e r i s u s e d t o c o n t r o l a g r i p p e r o f t h e l e g . T h e s e t w o m o t o r s a r e c o n t r o l l e d b y a s i n g l e c o n t r o l l e r b o a r d . T h e m o t o r c o n t r o l l e r b o a r d i s c a p a b l e o f c o n t r o l l i n g i n d i v i d u a l l e g a n d i t s g r i p p e r . C o n t r o l u n i t i s u s e d t o s y n c h r o n i z e f o u r c o n t r o l l e r b o a r d s a n d p e r f o r m e n t i r e r o b o t f o r w a r d a n d b a c k w a r d m o v e m e n t s . I n d i v i d u a l s e n s o r s i g n a l s f r o m l e g s e n s o r s a r e u s e d a s f e e d b a c k s i g n a l s t o t h e c o n t r o l u n i t o f t h e r o b o t . 4 7 \ R e f e r e n c e s : l l J . G . V a s t i a n o s , " S L O T H - R o p e C l i m b i n g R o b o t " , T e c h n o l o g i c a l E d u c a t i o n a l I n s t i t u t e o f P i r a e u s , G r e e c e , F e b r u a r y 2 0 0 2 . 1 2 1 . J . N a k a n i s h i . T . F u k u d a a n d D . E . K o d i t s c h e k , " " A n a l y t i c a l A p p r o a c h t o S t u d i e s o f T w o - l i n k B r a c h i a t i n g R o b o t C o n t r o l ' ' , J o u r n a l o f t h e R o b o t i c s S o c i e t y o f J a p a n V o l . 1 6 N o . 3 , R S J . p p 7 9 - 8 6 . 1 9 9 8 . 1 3 ] . Y . H a s e g a w a , Y . I t o a n d T . F u k u d a . " B e h a v i o r - B a s e d C o n t r o l f o r 1 3 - l i n k B r a c h i a t i o n R o b o t " , A u t o m a t i s i e r u n g s t e c h n i k 4 8 . O l d e n b o u r g V e r l a g . p p . 3 0 5 - 3 1 0 . J u n e 2 0 0 0 . [ ~] J . N a k a n i s h i . T . F u k u d a . a n d D . E . K o d i t s c h e k . · · A B r a c h i a t i n g R o b o t C o n t r o l l e r , I E E E T r a n s a c t i o n s o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , ' ' v o l . 1 6 . n o . 2 . A p r i l 2 0 0 0 . I 5 I N . K a y a . M . ! w a s h i t a . S . N a k a s u k a , L . S u m m c r e r a a n d J . M a n k i n s . · · c r a w l i n g R o b o t s o n L a r g e W e b i n R o c k e t E x p e r i m e n t o n F u r o s h i k i D e v e l o p m e n C . 5 5 t h l n t e r n a t i o n a l A s t r o n a u t i c a l C o n g r e s s 2 0 0 4 - V a n c o u v e r . C a n a d a . 1 6 ] R . S a h a i . S . A v a d h a n u l a , R . G r o f T E . S t e l t z , R . W o o d a n d R . S . F e a r i n g . · · T o w a r d s a 3 g C r a w l i n g R o b o t t h r o u g h t h e I n t e g r a t i o n o f M i c r o r o b o t T e c h n o l o g i e s " . I E E E I n t . C o n f o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n . O r l a n d o . F L . M a y 2 0 0 6 . [ 7 ] I l u i a n d E . A . R a y m o n d . " M e c h a n i s m s f o r H a p t i c F e e d b a c k " . I E E E I n t e r n a t i o n a l C o n f e r e n c e o n R o b o t i c s a n d A u t o m a t i o n , V o l . 2 , 1 9 9 5 . p p . 2 1 3 8 - 2 1 4 3 . [ 8 1 D . H o r v a t h . L e e a n d S . W i l l i a m s , " M u l t i p r o c e s s o r C o n t r o l l e d A u t o n o m o u s M o d u l a r W a l k i n g V e h i c l e ' ' . U n i v e r s i t y o f W a t e r l o o , O c t o b e r 1 9 9 6 . 1 9 ] C . C r a i g a n d J . J o h n . . · · I n t r o d u c t i o n t o R o b o t i c s : M e c h a n i c s a n d C o n t r o l " . 2 n d e e L A d d i s o n - W e s l e y P u b l i s h i n g C o . , R e a d i n g , M a s s . . 1 9 8 9 . J l O ] D . J . T o d d , · ' W a l k i n g M a c h i n e s . A n I n t r o d u c t i o n T o L e g g e d R o b o t s " . C h a p m a n a n d H a i L N e w Y o r k , 1 9 8 5 . [ 1 1 ] K . S . F u . · · R o b o t i c s : C o n t r o L S e n s i n g , V i s i o n . a n d l n t e l l i g c n c c ' ' . M c G r a v v - 1 - I i l l B o o k C o m p a n y . 1 9 8 7 . l l 2 ] M a g a h e d a n d M . S a i d , " P r i n c i p l e s o f R o b o t M o d e l i n g a n d S i m u l a t i o n " . W i l e y P u b l i s h e r s . 1 9 9 3 . l l 3 J K a n a d e . Y . X u a n d T a k e o , · · s p a c e R o b o t i c s : D y n a m i c s a n d C o n t r o l " . K l m v c r A c a d e m i c P u b l i s h e r s . 1 9 9 4 . 4 9 I l 1 4 ] W . A . W o l o v i c h a n d H . E l l i o t , ' · A c o m p u t a t i o n a l t e c h n i q u e f o r i n v e r s e k i n e m a t i c s , i n P r o c . , 2 3 r d I E E E C o n f e r e n c e o n D e c i s i o n a n d C o n t r o l ' ' . 1 9 8 4 . p p . 1 3 5 9 - 1 3 6 3 . ; 5 0 A P P E N D I X - A P I C B A S I C c o d e f o r 2 l e g r o b o t T R I S e = % 0 0 0 0 0 0 0 0 ' O u t p u t p o r t T R I S B = % 1 1 1 1 1 1 1 1 ' I n p u t p o r t d i r e c t i o n v a r B I T h o m c P o s i t i o n v a r B I T l c r t L c g F o r v > a r d v a r B I T r i g h t L e g F o r w a r d v a r B I T ' 0 - n o t i n h o m e p o s i t i o n , 1 - h o m e p o s i t i o n ' 0 - n o t f o r w a r d . 1 - f o r w a r d ' 0 - n o t f o r w a r d , I - f o r w a r d - ' P o r t B . l = 0 P o r t B . 2 = 0 S t a r t : ' H P W M 2 . 2 5 0 , 1 0 0 0 ' P W M f o r C C P P 1 L o w P o r t e . 0 ' B a c k w a r d H i g h P o r t C . l ' B a c k w a r d L o w P o r t C . 3 ' B a c k w a r d H i g h P o r t e . 2 ' B a c k w a r d h o m e P o s i t i o n = 0 i f P o r t B . 1 = 1 a n d P o r t B . 2 = 1 a n d P o r t B . 3 = 1 a n d h o m e P o s i t i o n = 0 t h e n I l i g h P o r t C . O ' B a c k w a r d e n d i f H i g h P o r t C ' . 1 ' B a c k w a r d I I i g h P o r t C . 2 H i g h P o r t e . 3 ' B a c k w a r d ' B a c k w a r d H i g h P o r t e . O ' B a c k w a r d L o w P o r t C . l ' B a c k w a r d h o m e P o s i t i o n = 1 l e f t L e g F o r w a r d = 1 r i g h t L e g F o r w a r d = 0 i f P o r t B . 1 = 0 a n d P o r t B . 2 = 1 a n d P o r t B . 3 = 1 a n d l c f t L e g F o r w a r d = I t h e n e n d i f L o w P o r t e . 2 ' B a c k w a r d I I i g h P o r t C . 3 ' B a c k w a r d l e f t L c g F o r w a r d = 0 r i g h t L e g F o r w a r d = I i f P o r t B . 1 = 0 a n d P o r t B . 2 = 1 a n d P o r t B . 3 = 1 a n d r i g h t L c g F o r w a r d = l t h e n L o w P o r t e . O ' B a c k w a r d 5 1 ; ' e n d i f ( i o t o S t a r t H i g h P o r t C . l L o w P o r t C . 3 H i g h P o r t C . 2 h o m e P o s i t i o n = 1 ' B a c k w a r d ' B a c k w a r d ' B a c k w a r d . • ~ ; , ' ' 5 2