Design and Control of an Underwater Quadruped Robot

Legged robots exhibit remarkable versatility on land, yet their capabilities in marine environments remain largely unexplored. Extending quadruped locomotion to underwater scenarios enables amphibious mobility, with potential applications in inspection, environmental monitoring and disaster response. This thesis presents the modeling, design and experimental validation of an underwater quadruped robot aimed at advancing research in underwater legged locomotion. An analytical model is derived to describe the dynamics of underwater legged systems. Motion primitives are formulated to generate drag based forces and torques for 3D reorientation. A complete robotic platform is then designed and built, featuring custom waterproof motor housings. The system is experimentally validated in a water tank, where the robot successfully performs yaw and roll reorientation maneuvers driven by the proposed motion primitives. Finally, experimental measurements of force and torque transmission are used to train a neural network that approximates the relationship between hydrodynamic forces and motor commands in an attempt to improve simulation accuracy.

I robot dotati di gambe dimostrano una notevole versatilità sulla terraferma, ma le loro capacità in ambiente acquatico rimangono in gran parte inesplorate. Estendere la locomozione di un quadrupede in scenari marini consente di progredire verso la mobilità anfibia, con potenziali applicazioni nell'ispezione, nel monitoraggio ambientale e nella risposta alle catastrofi. Questa tesi presenta la modellazione, progettazione e validazione sperimentale di un robot quadrupede subacqueo volto a far progredire la ricerca nella locomozione subacquea. Un modello matematico è stato derivato per descrivere la dinamica dei sistemi subacquei dotati di gambe. Sono state formulate primitive di movimento per generare forze e coppie di rotazione per il riorientamento 3D. È stata quindi progettata e costruita una piattaforma robotica completa, in particolare dotata di contenitori personalizzati per servo motori. Il sistema è stato validato sperimentalmente in una vasca d'acqua, dove il robot ha eseguito con successo manovre di riorientamento di imbardata e rollio guidate dalle primitive di movimento proposte. Infine, misurazioni sperimentali della trasmissione di forza e coppia sono state raccolte ed utilizzate per addestrare una rete neurale che approssima la relazione tra forze idrodinamiche e stato degli attuatori, in un primo tentativo nel migliorare la precisione di simulazione.