Developing Soft Bio-Inspired Cooperation Methods and Mechanisms for Flapping Wings Aerial Robots (FWAR)

Abstract

Esta tesis doctoral contribuye al estado actual de la robótica aérea desarrollando sistemas bioinspirados que permiten reducir los riesgos para las personas durante la interacción con los robots. Para ello se require ir más allá de los conceptos tradicionales de la robótica. En cuanto a la interacción, las plataformas aéreas tradicionales, como los multicópteros y alas fijas tienen limitadas capacidades debido al uso de hélices como mecanismos para la generación de propulsión. Esto se hace aún más notorio en los casos en los que se interacciona con usuarios que no están acostumbrados a su uso. Otros riesgos añadidos por estas son la energía de impacto producida, en el caso del ala fija por su velocidad de vuelo, y en el caso de multicopteros, por el peso y la ausencia de superficies aerodinámicas. Esta tesis propone el uso de ornitópteros para mitigar los riesgos generados por las plataformas aéreas tradicionales. Sin embargo, las capacidades de vuelos de estos están limitadas debido a su estado de desarrollo. En esta investigación se propone contribuir al estado actual de los ornitópteros de dos maneras. La primera, desarrollando sistemas de manipulación que les permitan interaccionar con el medio. La segunda, contribuyendo al desarrollo de sistemas de vuelo que le permitan superar las limitaciones actuales. La manipulación era un campo con pocos desarrollos en ornitópteros al comienzo de esta investigación. El sistema tiene que ser capaz de manipular una gran variedad de objetos. A su vez, tiene que mantener la rigidez necesaria para generar el suficiente agarre manteniendo el equilibrio durante el posado en diferentes lugares. También es objetivo de este manipulador incrementar la seguridad de interacción con humanos siendo capaz de realizar el posado en su brazo. Para alcanzar estos objetivos los manipuladores han utilizado dispositivos y materiales de robótica blanda tomando a las aves como inspiración y base del desarrollo. Para ello se ha realizado un profundo estudio de los materiales utilizados y métodos de actuación, teniendo en cuenta el peso que añaden a la plataforma, utilizando desarrollos novedosos para respetar las limitaciones de peso. El vuelo de las plataformas de alas batientes está muy limitado por la carga que pueden transportar y su maniobrabilidad. Esta tesis propone replicar los sistemas de vuelo de las aves para superar las limitaciones. Los desarrollos se verán reflejados en la cola y alas del ornitóptero. Para alcanzar estos objetivos, el desarrollo de los sistemas ha hecho necesario un profundo estudio de los materiales utilizados con el fin de no solo replicar su geometría, sino también el movimiento durante la actuación. En el caso de la cola el desarrollo de esta implica la utilización de actuadores muy novedosos empleados anteriormente con otros propósitos. Sin embargo, estos son capaces de replicar perfectamente el movimiento de las colas de los pájaros reduciendo el peso y los riesgos durante la operación. Al final de esta tesis doctoral se presenta un ornitóptero robótico plenamente bioinspirado con capacidad de manipular y posarse consiguiendo reducir al mínimo los riesgos en la interacción con humanos.

This Ph.D. thesis contributes to the current aerial robotics state-of-the-art developing bioinspired systems that reduce the risk during cooperation activities. It implies top abandon the traditional concept that sets the base of robotics. Interaction is the main capability that developed systems want to improve. However, traditional aerial platforms are unsuitable for human interaction. The use of sharp propellers makes this platform dangerous for non-professional users. Other risks, such as flight speed in the case of fixed wings and the absence of glide in the case of multirotors, limit their interaction capabilities. This dissertation proposes using Flapping Wing Aerial Robots (FWAR) to mitigate the risks generated by traditional Unmanned Aerial Vehicles (UAV). However, this platform is under development, and its flight capabilities are limited. The research explores two ways to contribute to the development of ornithopters. The first one is to provide ornithopters with manipulation capabilities. The second one is to develop aerial systems that contribute to the flight phase, overcoming the current limitations of the platform. Manipulation is a new line of research for ornithopters. The developed system must be able to manipulate a wide range of objects and, at the same time, generate enough grip to maintain balance in case of perching. In addition, the system must maintain a soft structure to perch on and cooperate with human arms. The manipulators are based on bird-inspired soft robotics technologies to achieve these goals. It will also involve an in-depth study of material and actuation techniques. The use of novel actuation technologies such as Shape Memory Alloys (SMA) will help overcome the payload limitations of ornithopters. These methods will be studied and described in the dissertation. With the aim of relaxing the payload and maneuverability constraints. This doctoral thesis proposes to mimic the flight devices that birds have. This development will be reflected in the tail and wing of the aerial platform. It will involve the use of morphing techniques combined with soft robotics techniques. The morphing techniques will actively mimic the motion of the avian system. Soft robotics techniques will desire passive deformation of the systems and reduce damage in the event of failure. Macro Fiber Composite™ (MFC) will be used as morphing actuators to mimic avian tail movement actively. This doctoral thesis concludes with a fully bio-inspired ornithopter capable of manipulating various objects with cooperative abilities to interact with humans.