Development of Biomimetic Robot Leg with ROS Implementation

Abstract

Denne bacheloroppgaven dokumenterer utviklingen av et overaktuert robotben med fire frihetsgrader. Dette omfatter design, konstruksjon, det matematiske rammeverket, regulering og simulering. Målet med prosjektet er å muliggjøre framtidig forskning på biomimetisk robotbevegelse og skape en fysisk modell for bruk i undervisning innen robotikk.

Robotbenet består av fire aktuatorer hvor tre er plassert i samme plan for å etterligne hofte, kne og ankel til en vanlig huskatt. Dette gjør roboten overaktuert hvis den blir sett på i to dimensjoner. 3D-printede deler utgjør de fleste delene som kobler aktuatorene sammen. En enkel anatomisk analyse ble utført for å finne korrekte proporsjoner for hver lenke. Robotbenet er festet til et stativ med kulehjul for å muliggjøre bevegelse.

En matematisk modell for kinematikken til roboten ble implementert i Matlab. Dette muliggjorde planlegging av baner mellom viapunkter funnet i en gangeanalyse av katter. Matlab modellen for roboten ble aldri implementert på den fysiske modellen, men er inkludert som grunnlaget for integrasjon mellom Matlab og ROS i framtidig arbeid. En mer komplett matematisk modell og optimal regulerings løsning er også presentert.

Det integrerte elektroniske systemet består av fire likestrøms børstemotorer kontrollert av en Arduino Mega som kjører individuell PID-regulator for hvert ledd. Doble motordrivere brukes for å konvertere PID-regulatorens pådragssignal til aktuatorhastighet. Vinkelposisjonen til leddene er målt med inkrementelle enkodere, hvor signalene blir lest og posisjonen lagret av en Arduino Nano for hver aktuator. Kommunikasjonen mellom enhetene er gjort ved hjelp av I2C protokollen, mens mellom Megaen og ROS benyttes seriell USB. Til slutt fungerte det integrerte elektroniske systemet som planlagt med unntak av motorene som viste seg å være for svake for roboten under bruk.

Ved å eksportere informasjon fra designfilene ble det laget en robotmodell som kunne brukes i blant annet ROS. Denne muliggjør simulering av bevegelse og ganglag før testing på den fysiske modellen. Baner ble generert ved å sette start og stopp posisjoner for robotbenet. ROS er satt opp til å sende settpunkter til motor regulatorene slik at den fysiske roboten vil følge den planlagte banen. En modell med fire ben er også laget og simulert i ROS.

De fleste aspektene ved roboten fungerte til slutt som planlagt, med unntak av aktuatorene som var for svake. Før de sviktet ble det vist at ROS sendte settpunkter til regulatorene og at ønskede posisjoner ble oppnådd. Gitt mer tid eller større budsjett er gruppemedlemmene sikre på at full funksjonalitet ville blitt oppnådd. For å gjøre framtidig arbeid enklere er mye av diskusjonen funnet i denne oppgaven fokusert på framtidig arbeid og mulige forbedringer.

This thesis documents the development of an over-actuated robot leg with four degrees of freedom. The thesis covers design, fabrication, assembly, mathematical framework, control, and simulation. The thesis aims to enable future research on biomimetic robot movement and create a physical model for educational purposes in robotics.

The robot leg consists of four actuators where three are placed in the same plane to emulate the hip, knee, and ankle of a domestic cat's hind leg. This makes the robot over-actuated when viewed as a planar robot. 3D-printed parts make up the majority of parts connecting the actuators together. A simple anatomical analysis was undertaken to find correct proportions for each link. The robot leg is fastened to a stand with caster wheels to emulate locomotion.

A mathematical model for the kinematics of the robot leg was created and implemented in Matlab. This enabled planning trajectories between waypoints found in a gait analysis on cats. The Matlab model for the robot was never implemented on the physical model but is included as a foundation for integrating Matlab with ROS in future work. A more complete modeling scheme and more optimal controllers for the robot are also discussed.

The embedded system consists of four brushed DC motors controlled by an Arduino Mega running independent joint PID control for each actuator. Dual motor drivers are used for translating the PID control signals into actuator speeds. The angular position of the joints is recorded using incremental encoders connected to an Arduino Nano operating as an incremental encoder interface. The communication between the units is done using the I2C protocol and between the Mega and ROS using serial USB. In the end, the physical model worked as intended, but the actuators were undersized and could not handle the gravitational forces acting on the upper joints.

A robot model for use in ROS was created by exporting design files. The robot model enables simulating movements and gaits before implementing it on the physical model. Trajectories were generated by setting a start and stop pose for the robot leg. ROS transmits setpoints to the embedded motor controllers that track the planned trajectory. Finally, a model including four legs was created and simulated with the use of ROS.

In the end, most aspects of the robot worked as intended. The actuators were too weak, but in the short time before failure ROS was able to send setpoints to the controllers, and the correct poses were achieved. Given more time or a larger budget, the group is confident that the robot would be completely operational. To make future work on the robot easier, a lot of the discussions found in this thesis are focused on future work and possible improvements.