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Thesis (Ph.D.)--Lehigh University, 2009. / Adviser: John R. Spletzer.

Pose and twist estimation is a ubiquitous problem in science and engineering: from astro- and aeronautics to biomechanics; from navigation systems to the latest video games. Current technology relies mainly upon accelerometer strapdowns, which call for precise estimation algorithms. Along these lines, the main objective of this dissertation is the development of innovative accelerometer strapdowns suitable for estimating rigid-body pose and twist accurately and reliably. The design philosophy is based on two interdependent concepts: an original concept of biaxial accelerometers, introduced in a previous dissertation and termed Simplicial Biaxial Accelerometers (SBA), and isotropic accelerometer strapdowns. The goal of the former is to sense accelerations along arbitrary directions in a plane. An improved SBA design is proposed and realized by means of MEMS (MicroelectromechanicalSystem) fabrication technology. By means of finite element analysis (FEA), the accelerometer sensitivity was found to be highly acceptable. The analysis results show that the SBA is isotropically sensitive to accelerations along arbitrary directions in the plane, while the cross-axis sensitivity is reduced, as desired. Isotropy mainly concerns a novel accelerometer strapdown made of the proposed SBAs. By virtue of its inherent geometricisotropy, the tetrahedral SBA strapdown is selected, but other isotropic polyhedra, such as the other four Platonic solids and Buckyballs, can be equally used. Performance and accuracy of the strapdown in estimating the pose and the twist of a rigid-body moving in space are illustrated with representative simulation examples. Moreover, the isotropic nature of the strapdown enables the decoupling of the point tangential acceleration from its centripetal counterpart in the acceleration field. Consequently, "coupling"—a major hurdle in pose and twist estimation—is avoided, thereby streamlining the estimation process. / L'estimation de la pose et du torseur cinématique des corps rigides est un problème qui se retrouve partout en science et en ingénierie, aussi bien en aérospatiale, aéronautique ou biomécanique que dans les systèmes de navigation ou les jeux vidéos. La technologie acutelle repose principalement sur les assemblages d'accéléromètres qui exigent des algorithms d'estimation précis. Le principal objectif de cette thèse est donc de développer des accéléromètres innovateures capables d'estimer, avec exactitude et fiabilité, la situation et le torseur cinématique en question. La conception de ces accéléromètres s'appuie sur deux idées originales interdépendantes: la biaxialité des accéléromètres, présentés antérieurement dans une thèse et appelés accéléromètres simpliciaux biaxiaux (ASB), et l'isotropie de leurs assemblages. L'objectif des ABS est d'estimer l'accélération dans des directions arbitraires sur un plan donné. La conception des ASB a été améliorée par l'auteure, et la technologie des SMEM (systèmes micro électromécaniques) a été utilisée pour leur fabrication. L'analyse numérique par éléments finis qui a servi à quantifier la sensibilité a été qualifiée de hautement acceptable. Les résultats montrent une sensiblité isotropique aux accélérations dans des directions arbitraires sur leur plan et une réduction de la sensibilité transversale, comme souhaité. L'isotropie porte principalement sur un nouvel assemblage d'accéléromètres fabriqué à partir des ASB. Les assemblages d'ASB en tétrahèdre ont été choisis en vertu de leur isotropie, mais il est aussi possible d'utiliser d'autres polyèdres isotropiques comme les quatre autres solides de Platon ou les Buckyballs. Des simulations illustrent la performance et la précision des assemblages dans l'estimation de la situation et du torseur cinématique d'un corps rigide en mouvement dans l'espace. En outre, l'isotropie de l'assemblage permet de découpler l'accélération tangentielle ponctuelle de son homologue centripète dans le champ d'accélération. Cela permet d'éliminer le problème du "couplage", et donc de simplifier la dite estimation.

At the embodiment stage of a robot design, fundamental tasks such as kinematic, static, dynamic and constraint-wrench analyses are essential. Moreover, by considering link elasticity, the elastostatic and elastodynamic analyses also become essential. However, the foregoing analyses are more challenging for parallel robots, when compared with their serial counterparts. This thesis aims to develop comprehensive methodologies for the elastostatic, elastodynamic and constraint-wrench analyses of robotic mechanical systems, while focusing on parallel architectures with reduced mobility. To this end, first, a systematic method for the calculation of the constraint wrenches of a mechanical system, imposed by the kinematic pairs, is proposed. This method helps the designer readily handle the constraint-wrench analysis of robots with parallel architectures. In the next step, considering link elasticity, a novel method for the elastostatic analysis of parallel robots is proposed. This method is based on the concept of generalized spring. With the essential ingredients, stiffness and mass matrices, the elastodynamic analysis of the robot under study is conducted. Although the analyses are motivated by the special features of a novel two-limb parallel manipulator designed at McGill University, called the McGill Schõnflies Motion Generator (SMG), they are applicable to any other two-limb parallel robots. The McGill SMG can produce the Schõnflies displacement subgroup, which comprises translations in the three-dimensional Cartesian space and one rotation about a fixed-orientation axis, as needed for most common pick-and-place operations. Finally, as an application of the proposed analyses, the optimum structural design of the McGill SMG is obtained. / A l'étape de réalisation durant la conception d'un robot, les analyses cinématique, statiques, dynamique et celles des torseurs statiques de contrainte sont des taches fondamentales. En outre, si l'élasticité des maillons est considérée, les analyses élastostatique et élastodynamique deviennent nécessaires. Ces analyses son plus difficiles pour les systèmes robotiques à architecture parallèle que pour ceux à architecture sérielle.Cette thèse vise à développer une méthodologie complète des analyses élastostatique, élastodynamique et de torseurs statiques de contrainte de systèmes mécano robotiques, tout en mettant l'accent sur les architectures parallèles à mobilité reduite. D'abord, une méthode systématique pour le calcul des torseurs statiques de contrainte d'un système mécanique, imposée par les couples cinématiques, est proposée. Cette méthode permet au concepteurfacilement gérer l'analyse de torseurs statiques de contraintes de robots à architecture parallèle. à l'étape suivante, en considérant l'élasticité, une méthode originale pour l'analyse élastostatique des robots parallèles est proposée. Cette méthode est basée sur le concept du ressort généralisée. Avec les ingrédients essentiels, les matrices de raideur et de masse, l'analyse élastodynamique du robot est obtenue. Bien que ses analyses soient motivés par les caractéristiques particulières d'un manipulateur à deux jambes en parallèle, appelé robot McGill générateur des mouvements de Schõnflies (SMG), elles sont aussi applicables à tout autre robot parallèle à deux jambes. Le SMG de McGill est capable de produire le sous-groupe de déplacement dit de Schõnflies, qui comprend des translations dans les l'espace tridimensionnel cartésien et une rotation autour d'un axe à orientation fixe, nécessaire pour la plupart des opérations de transfert. Enfin, en utilisant les analyses proposées, la conception structurale optimale du SMG de McGill est obtenue.

In modern robotics systems, processing input is often the most complex and resource-intensive segment of computation. Today's sensors, especically video cameras, can produe very large data sets in very short periods of time, and it is often necessary to store this information for later processing. Unfortunately, today's database solutions are very ill-suited for a high write throughput scenario. Additionally, most of them have a very limited support for time values, which is often inadequate for precise scientific computations. This thesis attempts to formalize the problem of a time-series value storage and presents the implementation details to our proposed solution, the time-series database adb. / Dans le cadre des systèmes de robotique modernes, le traitement des données entrantes est souvent la partie la plus complexe et la plus exigeante en terme de ressources. Les capteurs actuels, en particulier les caméras vidéo, peuvent produire de très larges ensembles de données sur de très courtes périodes, et il est souvent nécessaire de stocker ces informations pour un traitement ultérieur. Les logiciels de base de données contemporains ne sont malheureusement pas adaptés à des conditions d'écriture à haut débit. De plus, la plupart d'entre eux ont un support limité pour les valeurs temporelles, et sont souvent inadéquats dans un contexte de calculs scientifiques de précision. Ce rapport présente une base théorique de la gestion et du stockage de données chronologiques et la réalisation du logiciel de base de données temporelles adb.

Acoustic models driven by real-time velocity signals can suffer unduly from quality issues due to sampling and differentiation, especially at high sampling rates. In audio-haptic friction interaction, as found in a bowed stringsimulation for example, this noise appears as a gritty or dry feel, and is audible in the sound.In this thesis, two approaches to this problem are proposed: firstly, reduction of the sensitivity of the model to velocity noise by the application of a position-dependent friction model; secondly, the improvement of velocity estimation by means of filtering and enhanced sensing.Several estimators are compared, by means of parameter optimisation, to direct velocity measurement in order to find a good trade-off between filter-imposed delay and noise rejection. Optimised estimators are then compared by subjects in an online scenario to test their respective effect on the impedance range and noise qualities of a bowed string friction display. / Les modèles acoustiques commandés en temps réel par des signaux de vitesse peuvent souffrir indûment de problèmes de qualité dus à l'échantillonnage et à la différenciation de la position, en particulier à des taux d'échantillonnage élevé. Dans l'interaction audio-haptique basée sur la friction, que l'on trouve dans la simulation d'une corde frottée par exemple, ce bruit se présente comme une sensation granuleuse ou sèche, et est audible dans le son. Nous proposons dans cette thèse deux solutions à ce problème: d'une part, la réduction de la sensibilité au bruit du modèle de simulation par l'application d'un modèle de friction dépendant de la position; d'autre part, l'amélioration de l'estimation de la vitesse en utilisant différents filtres ainsi que des capteurs supplémentaires. Plusieurs estimateurs sont comparées entre eux et à la mesure directe de la vitesse, dans le but de trouver un compromis acceptable entre le retard imposé par le filtrage et la réduction du bruit.Ces estimateurs optimisés sont ensuite évalués par des participants afin de tester leurs effets sur la gamme d'impédance obtenue ainsi que sur la qualité du bruit dans la simulation de corde frottée.

Epicyclic mechanisms have found wide applications in industry, especially in automobiles and robotics. Low efficiency due to the high gearing power occurring in an epicyclic train is an important problem. This thesis develops a novel family of epicyclic transmissions, based on cams and rollers. This kind of cam-based mechanical transmissions, Speed-o-Cam (SoC), offers features such as high stiffness, low backlash, and high efficiency. / We develop multi-lobbed cam profiles, the sun cam and the ring cam, which comprise an epicyclic cam train (ECT) with the roller follower. New design criteria are established: the generalized transmission index (GTI) and the contact ratio in cam transmissions. The GTI is an index that quantifies the force transmission quality in a mechanism, thereby generalizing the pressure angle, the transmission angle, and the transmission index (TI) proposed by Sutherland and Roth in 1973. The contact ratio is an index of the quantity of overlap occurring between two conjugate cams during transmission. A contact ratio greater than unity guarantees smooth motion during operation. In order to avoid "poor" transmission, we apply an undercutting technique on the cam profile to achieve a smooth motion. / We introduce two new concepts, virtual power and virtual power ratio, and derive an original algorithm to compute the efficiency in an epicyclic train upon the assumption that power loss is due only to friction upon meshing. The results show that friction has a larger effect on the total efficiency of an epicyclic train than on a simple train. Examples are given to validate this algorithm, by comparison of our results with previous works. / The dual-wheel transmission (DWT), proposed elsewhere using epicyclic gear trains (EGTs), is designed here with epicyclic trains of cams and rollers. We optimize the DWT to achieve a compact design and a high transmission performance. Furthermore, we define the total transmission index (TTI), which allow us to evaluate the final DWT design. Two virtual prototypes of the DWT, the central and the offset versions, are generated: the former is capable of quasi-omnidirectional mobility, the latter of full omnidirectional mobility. / Finally, we include a general kinematic analysis of wheeled mobile robots (WMRs) with single-wheel drives and apply this method to WMRs with DWT units; then, we obtain symbolic solutions to the direct kinematics (DK) and inverse kinematics (IK) problems, for both central and offset types of units.

Although legged locomotion for robots has been studied for many years, the research of wheeled-leg robotics is much more recent. Robots of this type can take advantage of the energy efficiency of wheeled locomotion while adapting to more difficult terrain with legged locomotion when necessary. The Micro Hydraulic Toolkit (MHT), developed by engineers at Defence Research and Development Canada (DRDC), is a good example of such a robot. MHT is an unmanned quadruped hybrid robot with hydraulically articulated legs and electric wheels. Investigation into the control of MHT leads to a better understanding of ground vehicle control for terrestrial exploration and reconnaissance. The methodology applied in this work uses MHT's velocity kinematics to determine joint rates for the given posture and trajectory inputs. This thesis will review the formulation of the kinematic controller and the results obtained via co-simulation using Matlab's Simulink and the high-fidelity model of MHT in LMS Virtual Lab. / Il y a déjà plusieurs années que les robots à locomotion articulée font sujets de maintes études, la recherche visant la locomotion articulée sur roues, par contre, est beaucoup plus récente. Les robots de ce type peuvent bénéficier de l'efficacité énergétique de la locomotion articulée sur roues tout en s'adaptant à des environnements plus difficiles par l'utilisation de la locomotion articulée lorsque nécessaire. Le toolkit micro-hydraulique (Micro Hydraulic Toolkit (MHT)), conçu par des ingénieurs au Recherche et développement pour la défense Canada (RDDC), est un bon exemple d'un tel robot. MHT est un robot quadrupède hybride autonome composé de pattes articulées hydrauliques et de roues électriques. La recherche ciblant les mécanismes de control du MHT mène à une meilleure compréhension du control nécessaire pour l'exploration et la reconnaissance que font les véhicules terrestres. La méthodologie employer pour ce travail utilise la vélocité cinématique du toolkit micro-hydraulique pour déterminer la proportion des articulations pour les positions voulues et les trajectoires émises. Cette thèse revisera la formulation des commandes cinématiques et des résultats obtenus par l'entremise de co-simulations utilisant Matlab's Simulink et le modèle haute-fidélité de MHT dans LMS Virtual Lab.

Three full-state optimal controllers are proposed to fulfill the requirements of flying an indoor holonomic airship in real-time, namely, hovering control, set-point control and continuous reference tracking. In the hovering control design, the airship is assumed to be a quasi stationary plant, and an infinite horizon linear quadratic regulator (LQR) operating in again scheduling manner is employed. Meanwhile, a controller based on the state-dependent Riccati equation (SDRE) and ad hoc feedforward compensation is synthesized to tackle the set-point control problem. Lastly, a continuous tracker is dedicated to rejecting alldisturbances along any given reference trajectory. With reasonable computation cost, the proposed controllers show significant advantages over the PD controller in both simulationand real flights. A state estimator designed with the unscented Kalman filter is also implemented in this work. The purpose is to track the airship state for the feedback loop and other navigation tasks by fusing information from the on-board (an inertia measurement unit and a laser range finder) and/or o-board (an infra-red based motion capture system) sensors. A loosely coupled sensor fusion scheme is employed and validated in experiments. / Trois méthodes optimales de commande à retour d'état complet sont proposées ici afin d'accomplir les exigences du vol intérieur d'un ballon dirigeable holonomique, et ceci, en temps réel. Les manoeuvres exigées incluent le maintien d'une position stationnaire, le mouvement vers un point et suivant une trajectoire continue. Pour la régularisation, un modèle quasi-stationnaire du ballon est assumé et un régulateur quadratique-linéaire (LQR) à horizon infini est utilisé dans un mode d'échelonnage des gains. De plus, les mouvements vers un point sont accomplis en se basant sur le retour d'état pour résoudre l'équation de Riccati qui en dépend et pour compenser la dynamique non-linéaire. Finalement, les perturbations autour d'une trajectoire continue sont rejetées par une méthode dédiée afin de suivre cette trajectoire. Preuves expérimentales et simulées à l'appui, ces méthodes de commande démontrent des avantages significatifs par rapport aux méthodes classiques de commande porportionelle-dérivée (PD), et ceci, avec des exigences modérées sur le système informatique. Ce travail de thèse démontre aussi l'utilisation d'un filtre de Kalman non-parfumé (UKF) pour estimer l'état du système. Cette estimation produit le retour d'ètat complet nècessaire aux mèthodes de commande et à d'autres tâches de navigation en combinant les mesures de différents systèmes enbarqués (système inertiel et télédétecteur par laser) et non-embarqués (système de capture du mouvement à l'infra-rouge). Une méthode de fusion sensorielle à séparation partielle est utilisée et validée expérimentalement.