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