3DOF Undervannsmanipulator

Abstract

Denne bacheloroppgaven tar for seg utviklingen av en undervannsgripper for Vortex NTNU sin deltakelse i TAC Challenge 2024. Vortex er en studentorganisasjon ved NTNU som utvikler autonome undervannsfartøy. Formålet med dette prosjektet er å designe, produsere og montere en fungerende gripper som kan anvendes til å manipulere ventiler under vann. Oppgaven omfatter både de mekaniske, elektroniske og programvaremessige aspektene ved gripperen. Gripperen som er utviklet i dette prosjektet, er en essensiell komponent for å utføre disse oppgavene.

Gripperen er designet med CAD-programmet Solidworks og består hovedsakelig av 3D-printede deler i PETG, valgt for sin robusthet og vannmotstand. Designprosessen inkluderte flere iterasjoner med fokus på å oppnå god funksjonalitet og estetikk. Destruktive tester avdekket svakheter som ble dokumentert, og mekaniske forbedringer ble gjort.

Gripperens elektroniske system er bygget rundt servomotorer og magnetiske enkodere, som er beskyttet mot vanninntrengning ved hjelp av støping i epoxy. For å sikre at systemet er robust og pålitelig, er det implementert løsninger som gjør det mulig å overvåke og kontrollere strømforbruket til hver servomotor. Dette er spesielt viktig for å forhindre skader og sikre delvis funksjonalitet ved feil.

Programvarearkitekturen er basert på ROS2 (Robot Operating System 2), som gir en fleksibel plattform for kontroll og diagnostikk av gripperen. ROS2-pakkene utviklet for dette prosjektet inkluderer spesifikke moduler for bevegelsesstyring, diagnostikk og teleoperasjon. Disse modulene integrerer ulike sensordata og gir brukeren muligheten til å styre gripperen nøyaktig og pålitelig.

Den ferdige gripperen oppfyller alle krav, med enkelte justeringer basert på praktiske erfaringer. Prosjektet demonstrerer en vellykket integrering av en funksjonell undervannsgripper, klar til bruk i konkurranser og videre utvikling. Den er i stand til å rotere i flere akser, åpne og lukke seg, og fungerer pålitelig under vann.

This bachelor thesis focuses on the development of a subsea manipulator for Vortex NTNU's participation in the TAC Challenge 2024. Vortex is a student organization at NTNU that develops autonomous underwater vehicles. The purpose of this project is to design, produce, and assemble a functional gripper that can be used to manipulate subsea valves. The project encompasses the mechanical, electronic, and software aspects of the manipulator. The system developed in this project is an essential component for performing the beforementioned.

The gripper is designed using the CAD software SolidWorks and primarily consists of 3D-printed parts made of PETG, chosen for its robustness and water resistance. The design process included several iterations focused on achieving the optimal balance between functionality and aesthetics. Destructive tests revealed weaknesses that were documented, and mechanical improvements were made.

The electronic system is built around servomotors and magnetic encoders, which are protected against water ingress by encapsulating them in epoxy. To ensure that the system is robust and reliable, solutions have been implemented to monitor and control the power consumption of each servomotor. This is especially important to prevent damage and ensure partial functionality in the event of failure.

The software architecture is based on ROS2 (Robot Operating System 2), which provides a flexible platform for controlling and debugging the gripper. The ROS2 packages developed for this project include specific modules for motion control, diagnostics, and teleoperation. These modules integrate various sensor data and allow the user to control the gripper accurately and reliably.

The end product meets all requirements, with some iterative adjustments. The project demonstrates a successful integration of a functional subsea manipulator, ready for use in competitions and further development. It is capable of rotating in multiple axes, opening and closing, and reliable submerged operation.