Intrinsic Force-Torque Sensor System for a Next Generation Snake Robot

Abstract

En ny slangerobot skal utvikles av NTNU/IKT som en testplattform for HOAB (Hybrid Obstruksjons Assistert Bevegelse). HOAB bygger på kunstig etterligning av hvordan biologiske slanger beveger seg i terreng ved å presse seg mot hindringer. Slangerobotikken er derfor tungt avhengig av et iboende kraft-dreiemoments system som kan gi ut presise og pålitelige målinger.

Det presenterte kraft-dreimomement sensorsystemet er basert på kommersielt tilgjengelig sensorteknologi. Løsningen kombinerer en 3-akset kraftsensor med en 1-akset dreiemomentsensor. Tester gjennomført på systemet viser at det imøtekommer og overgår kravene satt av prosjektet og oppdragsgiver. Det har høy nøyaktig, minimalt med spenningsdrift (hysterese), lite tidsforsinkelse, høy sensitivitet og produserer pålitelige målinger. Sammenlignet med det tidligere sensorsystemet i slangeroboten Mamba, så presterer det bedre på mange områder.

Den første delen av denne prosjektrapporten dekker den underliggende teorien bak HOAB, samt betydningen av presise kraft-dreiemoment målinger til bruk i slangerobotikk. Videre dekker den også grunnleggende teori, som ligger til grunn for den tradisjonelle virkemåten til strekklappbasert kraft- og dreiemoment sensorteknikk. Til slutt dekker delen sensorsystemer fra tidligere forskning på slangeroboter ved NTNU og internasjonalt.

Andre delen av prosjektrapporten går i detalj på prosessen bak jakten på kommersielt tilgjengelige sensorløsninger. Krav og spesifikasjonslister er presentert, og knyttes opp mot behovene til en gitt slangerobot. Videre er det presentert forskning og andre alternative løsninger som baserer seg på å bygge et spesialisert sensorsystem fra bunnen av. Fire potensielle kommersielt tilgjengelige løsninger, som møter prosjektets krav er presentert, etterfulgt av prosjektets endelige løsning, som var å kombinere to kommersielle sensorer som oppfølger de ønskede kravene.

Tredje del dekker prosessen bak testing og vurdering av det kombinerte sensorsystemet. Den går dypt inn i prosessen bak design og implementering av måleelektronikk, samt testriggen, opp mot sensorsystemet. Videre går den inn i hvordan sensorsystemet ble testet under realistiske omstendigheter for å vurdere systemets ytelse. Resultatene blir sammenlignet med tidligere forskning på et eldre målesystem, i en tidligere slangerobot. Konklusjonen var at det nye kraft- dreiemoment-målesystem, funnet av prosjektet, prestere klart bedre enn det tidligere spesialiserte målesystemet.

Til slutt går rapporten dypt inn hvordan dette målesystemet vil kunne brukes i praksis og trekker frem forbedringspotensialer vedrørende måleelektronikk, design og produksjon av fysiske deler.

A new snake robot is to be developed at NTNU/ITK. It will be an intended test-platform for Hybrid Obstacle Aided Locomotion (HOAL) with snake robotics. HOAL, within snake robotics, is the concept of artificial impersonation of how biological snakes achieve propulsion in an unstructured environment, pushing up against objects in the terrain. The robot needs an advanced intrinsic force-torque sensor system that produces reliable and accurate measurements to achieve this.

The force-torque sensor system presented, is based on commercially available sensor technology and combines a 3-axis force sensor and a 1-axis torque sensor. Tests conducted on the sensor system demonstrates that it out-performed and surpassed the project's expectations. Achieving high accuracy, minimal voltage drift(hysteresis), low time delay, high sensitivity, and most importantly; producing a reliable measurement signal. Moreover, by comparing the presented sensor system to the results of the sensor system in the Mamba snake-robot, the improvements are notable.

Firstly, this paper covers the underlying theory regarding HOAL, importance, and intended usage of force-torque measurements within snake robots. Next, it covers basic theory regarding the traditional workings of strain-gauge-based force and torque transducers. Finally, covering sensor solutions from previous snake-robot research.

Secondly, it deeply covers the research process of finding a suitable force-torque sensor system based on commercially available solutions. It presents suggested specifications and requirements for such a system to be applicable as an intrinsic sensor solution within snake robotics. It introduces some alternative solutions and research, apart from commercial strain-gauge-based transducers. Then it presents four commercially available sensor solutions that meet the set physical requirements and how the project concluded that a combined sensor solution was the most beneficial.

Thirdly, it deeply covers the steps taken to test and assess the combined sensor solution—furthermore, testing and design of suggested measurement electronics as projected by previous research. The sensor system was then tested in realistic conditions, and its performance was assessed. Finally, its performance was compared to previous tests conducted on the most current snake-robot at ITK; Mamba.

Lastly, the paper covers the intentional use of the sensor system and presents suggested improvements regarding the measurement electronics based on the project's experiences.