Dexterous Gripper: modular platform for robotic manipulations

Abstract

Finmotorisk manipulasjon av objekter er et forskningsfelt innen robotikk. I den pågående utviklingen av nye teorier og kontrollalgoritmer oppstår behovet for en fysisk og elektrisk plattform å teste på. Denne masteroppgaven, i samarbeid med SINTEF Ocean, presenterer et forslag til design av en finmotorisk griper. Dette systemet kan vise seg å være en verdifull plattform for videre forskning i robotiske manipulasjonsoppgaver. Arbeidet som har inngått i oppgaven består av flere ulike fagområder. Dette inkluderer den fysiske utformingen av det mekaniske systemet, designet av et elektrisk styresystem, reguleringsteknikken bak styringen av systemet, og implementasjonen av programvare for kontroll.

Det mekaniske systemet som har blitt laget, har tatt i bruk 3D printer teknologi for å redusere kostnader. I tillegg har et menneskeinspirert sene-system muliggjort to-veis aktuering ved bruk av én motor. Systemets aktueringsprinsipp tillater reversibel kjøring, og prinsippene som er brukt i designet legger til rette for lav elastisitet.

Elektronikken som utgjør systemets motorstyresystem består av motorer, motordrivere og vinkelsensorer. For å håndtere alle disse komponentene, og gjøre oppsettet av systemet lett å bruke i eksperimenter, ble flere kretskort designet og produsert. Et vinkelsensorkort sørget for enklere vinkelmålinger i systemet, et kort ble laget for å legge til rette for master-slave kommunikasjon, og et kort for lavnivåkontroll muliggjorde kontroll av børsteløse likestrømsmotorer.

For å styre en finger, som utgjør to frihetsgrader, er kaskaderegulering implementert. Bestående av en indre og en ytre sløyfe. Den indre reguleringssløyfen sørger for at korrekt fase får riktig spenning ut ifra motorens statorposisjon, videre vil leddene i fingeren rotere.

Programmeringsgrensesnitt, brukergrensesnitt, kommunikasjons- og kontrollsystem er implementert i programvare. Til sammen utgjør dette et system som er i stand til å detektere og reagere hurtig på eksterne innvirkninger. Dette er mye takket være implementasjon av høyhastighets C++ kode, sanntidsoperativsystem og ledningsbasert kommunikasjon mellom sløyfene.

Gjennom ytelsestester konkluderes det med at systemet vil kunne tjene som en plattform for videre forskning i temaet finmotorisk manipulasjon.

Dexterous manipulations is a field of research within robotics. In the development of new control algorithms and methods of making such systems, the need for a physical and electrical platform arises. This master thesis, in cooperation with SINTEF Ocean, presents a suggestion of design of a dexterous gripper. This system can prove to be a valuable platform for further research into robotic dexterity. The system comprises multiple fields of engineering, which are presented in this thesis. This includes the physical design of the mechanical system, the design of a printed circuit board, control theory for controlling the system, as well as the implementation of software for control.

The mechanical system which has been created, uses 3D printing technologies to reduce cost, together with a tendon system which enables bi-directional movement with one motor per joint. The system is fully back-drivable, and the princples used has potential to enable low elasticity actuation of finger joints.

The electronics that make up the system consist of motors, motor drivers, angle sensors and other electronics. To handle all of these components in a manageable way, and make the setup of the system more streamlined in a research setting, several printed circuit boards was designed and manufactured. An angle sensor board ensured for easier angle measurements in the system, an SPI board made the setup of communication between controllers simpler, and a low level control board ensured for ease of control.

The successful actuation of a two degree of freedom system was made using two cascaded control loops, consisting of an inner and an outer loop. The inner loop applies the correct voltage phase in accordance to stator position to drive the motor, and thus the joints of the finger, clockwise or counterclockwise based on the commands from the outer loop. The outer loop gives commands based on angle sensor readings from the joints of the finger.

API, GUI, communication and control of the system has been implemented in software. A system capable of detecting and responding quickly to external events has been made, thanks to the use of C++, wired communication between nodes and integration of a real time operating system.

Through performance tests of the system, the conclusion is that it will be able to serve as a platform for further research into dexterous manipulations.