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Dynamics in locomotion is highly useful, as can be seen in animals and is becomingapparent in robots. For instance, chimpanzees are dynamic climbers that canreach virtually any part of a tree and even move to neighboring trees, while sloths arequasistatic climbers confined only to a few branches. Although dynamic maneuversare undoubtedly beneficial, only a few engineered systems use them, most of whichlocomote horizontally. This is because the design and control are often extremelycomplicated.This thesis explores a family of dynamic climbing robots which extend roboticdynamic legged locomotion from horizontal motions such as walking, hopping, andrunning, to vertical motions such as leaping maneuvers. The motion of these dynamicrobots resembles the motion of an athlete jumping and climbing inside achute. Whereas this environment might be an unnavigable obstacle for a slow, quasistaticclimber, it is an invaluable source of reaction forces for a dynamic climber.The mechanisms described here achieve dynamic, vertical motions while retainingsimplicity in design and control.The first mechanism called DSAC, for Dynamic Single Actuated Climber, comprisesonly two links connected by a single oscillating actuator. This simple, openlooposcillation, propels the robot stably between two vertical walls. By rotating theaxis of revolution of the single actuator by 90 degrees, we also developed a simplerrobot that can be easily miniaturized and can be used to climb inside tubes.The DTAR, for Dynamic Tube Ascending Robot, uses a single continuously rotatingmotor, unlike the oscillating DSAC motor. This continuous rotation even furthersimplifies and enables the miniaturization of the robot to enable robust climbinginside small tubes. The last mechanism explored in this thesis is the ParkourBot,which sacrifices some of the simplicity shown in the first two mechanism in favorof efficiency and more versatile climbing. This mechanism comprises two efficientspringy legs connected to a body.We use this family of dynamic climbers to explore a minimalist approach to locomotion.We first analyze the open-loop stability characteristics of all three mechanisms.We show how an open-loop, sensorless control, such as the fixed oscillationof the DSAC’s leg can converge to a stable orbit. We also show that a change inthe mechanism’s parameters not only changes the stability of the system but alsochanges the climbing pattern from a symmetric climb to a limping, non-symmetricclimb. Corresponding analyses are presented for the DTAR and ParkourBot mechanisms.We finally show how the open-loop behavior can be used to traverse morecomplex terrains by incrementally adding feedback. We are able to achieve climbinginside a chute with wall width changes without the need for precise and fast sensingand control.

Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.

Este trabalho apresenta a concepção, o projeto, o desenvolvimento e a validação experimental de uma plataforma robótica bioinspirada o robô KA\'I yxo com a habilidade de escalar árvores para aplicação em monitoramento ambiental. Tal motivação surgiu da necessidade crescente do estudo e do entendimento de ocorrências naturais pelas consequências envolvidas, muitas vezes trágicas. O monitoramento ambiental em larga escala e a dificuldade de acesso e cobertura de áreas significativas são fatores que indicam a importância e a utilidade de robôs nessas tarefas. O robô KA\'I yxo possui como aplicação primeira uma solução para aquisição de dados de radiação solar, temperatura, umidade e altitude, de maneira que a mesma seja uma ferramenta útil para pesquisadores, aplicação esta identificada como relevante para a pesquisa na área ambiental após visitas ao Instituto Nacional de Pesquisas da Amazônia INPA. O desenvolvimento da plataforma robótica bioinspirada exposto nesta tese apresenta a sua evolução, desde a versão inicial do robô Kamanbaré (seis versões), até a versão atual da plataforma KAI yxo (terceira versão). Para esta última, são expostos em detalhes os modelos mecânico e matemático. No modelo mecânico, a importante questão da mobilidade é considerada. O modelo matemático construído compreende a cinemática direta, a cinemática inversa, a definição da andadura e a dinâmica do robô. O texto contém também uma apresentação detalhada das arquiteturas de controle, de software e de hardware. A utilização de Geradores Centrais de Padrões (CPGs) é justificada e discutida em detalhes. O ajuste dos parâmetros da CPG é realizado por meio de um processo de otimização baseado na técnica de Times Assíncronos (A-Teams). Resultados experimentais obtidos com a plataforma robótica são apresentados e discutidos. / This work presents the conception, design, development and experimental validation of a bioinspired robotics platform the robot KA\'I yxo with the ability to climb trees for use in environmental monitoring. Such motivation arose from the growing need of studying and understanding the consequences of natural occurrences involved, often tragic. Environmental monitoring in large scale and the difficulty of access and coverage areas are significant factors that indicate the importance and the usefulness of robots in these tasks. As a first application, the robot KA\'I yxo represents a solution for data acquisition from solar radiation, temperature, humidity and altitude, so that it may be a useful tool for researchers. This application was identified as relevant to environmental research after visits to the National Institute of Amazonian Research INPA. The development of the bio-inspired robotics platform exposed in this thesis presents its evolution starting from the initial version of the robot Kamanbaré (six versions) and ending with the current version of KA\'I yxo platform (third version). For the latter, the mechanical and mathematical models are exposed in details. In the mechanical model, the important issue of mobility is considered. The mathematical model constructed comprises the forward kinematics, the inverse kinematics, the definition of the gait and the dynamics of the robot. The text also contains a detailed presentation of the control, software and hardware architectures. The use of Central Pattern Generators (CPGs) is justified and discussed. The tuning of the CPG parameters is performed by an optimization process based on the Asynchronous Teams (ATeams) technique. Experimental results obtained with the robotic platform are presented and discussed.