This report is a bachelor thesis in Mechatronics at KTH. The purpose of the thesis is to design a statically stable walking robot capable of forward movement. A quadrupedal robot is designed, as well as a PID control system. To easily control the legs with sufficient accuracy servo motors are used. The control system is used to generate an effective gait pattern that gives rise to the desired functionality. To achieve this the center of mass needs to be approximated, which is done through force sensitive resistors in its feet. The control systems and mathematical models used are tested with the help of a simulation in Simulink. A prototype is also built in order to test the models in practice. The results show that the robot is capable of upholding balance in the simulations, even with shifts in parameters such as the weight and the location of the center of mass. The prototype performed significantly worse, which is mainly accredited to the lack of quality among the force sensors. In future projects the use of different methods to approximate the location of the center of mass is recommended. If the use of sensors is preferred, strain gauges could be a viable alternative to the force sensitive resistors used. More expensive force sensitive resistors of a higher quality could also be an option. / Denna rapport är ett kandidatexamensarbete i Mekatronik på KTH. Syftet med rapporten är att designa en gående robot som erhåller statiskt stabilitet vid gång framåt. En fyrbent robot samt ett PID regler system designades. För att styra benen med bra noggranhet används servomotorer. Reglersystemet används för att generera en stabil bana för fötterna att följa. Detta kräver en uppskattning av robotens masscentrum som möjliggös m.h.a. tryckkänsliga motstånd i fötterna. Reglersystemet samt framtagna matematiska modeller testas med hjälp av simulering i Simulink. Sedan byggs en prototyp av roboten för att testa modellerna i verkligheten. Resultat visar att roboten kan balansera och presterar bra i simulationen, även då parametrar så som vikt och masscentrumets läge ändras. I verkligheten fungerade roboten betydligt sämre, vilket tycks vara orsakat av opålitliga kraftsensorer i fötterna. I framtida projekt föreslås användning av olika metoder för att uppskatta positionen av robotens masscentrum. Om användningen av sensorer är föredragen kan tryckkänsliga motstånd ersättas med töjningsgivare för att mäta normalkrafterna, alternativt kan tryckkänsliga motstånd av högre kvalitet användas.

This report will cover the work involved in building a quadruped robot which should to a certain extent resemeble a four-legged mammal. The introduction will present information related to what has inspired the project, purpose/aim, specifications, limitations and research questions. Most important in the introduction are probably the purpose/aim and research questions. Mainly, the goal was to have the robot be able to self-balance and later also be able to walk to some degree if possible. The first research question concerns how well a PID controller would affect the stability of the robot and the second question is about answering if referencing a fourlegged mammal is a good idea when building a quadruped robot. Theory and methods were combined and written as one chapter. This way relevant information could be provided in the appropriate places as the method for creating the robot was described. The chapter dives into the primary parts of the robot which are the choice of components, construction, inverse kinematics and last but not least the code including the implementation of a PID. The results show that PID regulation improves stability and performance, but PI regulation actually performed the best. Furthermore, the question regarding referencing a four-legged mammal remains inconclusive even though the model was sufficient for the task.

Mechatronics is a rapidly growing field that combines elements of mechanical, electrical, and software engineering to design and develop intelligent systems. One area where mechatronics still has the potential to have a significant impact is personal appliances and aids for people with disabilities, which this report aims to explore. This bachelor thesis focuses on the design and development of a mechatronic lid opener. The main objective of this project is to explore the feasibility of creating a functional prototype that can automatically open jar lids with minimal user intervention. A secondary objective is to explore the market potential for such a product. In order to achieve the main objective, a prototype was designed, constructed, and tested. Further, a brief supplementing market analysis was conducted. The result showed that the construction was durable enough to withstand the pressure it put on the jar, and the function of the planetary gearing works as intended. Although, from the tests, it is concluded that the prototype’s functionality is not developed enough to reach the goal. This is derived from the limitations of construction on the gripping arms and lack of inertia leading to premature rotation. The result also showed that the market for automated or motorized home appliances is small, with identified target groups generally having low purchasing power. Low effort is recognized to achieve what this project aimed to do, which is why future studies from this project are of high interest. / Mekatronik är ett snabbt växande område som kombinerar element av mekanik, elektronik och mjukvaruteknik för att designa och utveckla intelligenta system. Ett område där mekatronik fortfarande har potential att ha en betydande inverkan är personliga applikationer och hjälpmedel förpersoner med funktionsvariation, som denna rapport syftar till att utforska. Denna kandidatuppsats fokuserar på design och utveckling av en mekatronisk burköppnare. Huvudsyftet med detta projekt är att utforska möjligheten att skapa en funktionell prototyp som automatiskt kan öppna burklock med minimalt krav på inverkar från användaren. Ett sekundärt mål är att utforska marknadspotentialen för en sådan produkt. För att uppnå detta huvudsyfte designades, konstruerades och testades en prototyp. Vidare genomfördes en kort kompletterande marknadsanalys. Resultatet visade att konstruktionen var tillräckligt tålig för att klara trycket den satte på burken och planetväxelns funktion fungerar som planerat. Däremot dras slutsaten utifrån testerna att prototypens funktionalitet inte är tillräckligt utvecklad för att nå målet. Detta härrör från begränsningarna av konstruktionen av griparmarna och bristen på tröghet som leder till för tidig rotation. Resultatet visade också att marknaden för automatiserade eller motoriserade hushållsapparater är liten, där identifierade målgrupper generellt har låg köpkraft. Liten ansträngning anses nödvändigt för att uppnå vad detta projekt syftade till, varför framtida studier från detta projekt är av stort intresse.

The whiteboard is a tool being used in several different facilities around the world. However, erasing the ink off the board can be unnecessarily time consuming and distracting. The purpose of the project was therefore to create a demonstrator to automate the process with a few restrictions. The demonstrator was required to be light enough and small enough to be handheld. In addition, the demonstrator needed to function and work properly on a magnetic surface. To conceptualize the purpose a demonstrator was built with an iterative process and thereafter programmed to get a systematic movement. It utilized continuous servo motors, IR-sensors and a 3-axis gyroscope and an accelerometer in combination with 3D-printed components. The final prototype turned out to function properly but could be improved as its erasing properties are not working as one could expect from a finished prototype. / Whiteboard är ett verktyg som används i flera olika fastigheter runt om i världen. Att ta bort bläcket från whiteboarden kan dock vara onödigt tidskrävande och distraherande. Syftet med projektet var därför att automatisera processen med några begränsningar. Två begränsningar var att prototypen skulle väga lite och vara tillräckligt liten för att vara handhållen. En annan begränsning var att den skulle fungera korrekt på en magnetisk yta. För att konceptualisera syftet byggdes en prototyp med en iterativ process och därefter programmerades den för att få en systematisk rörelse. Den utnyttjade kontinuerliga servomotorer, IR-sensorer och ett 3-axligt gyroskop i kombination med 3D-printade komponenter. Den slutgiltiga prototypen visade sig fungera korrekt men kan förbättras eftersom dess raderingsegenskaper inte fungerar som man kunde ha förväntat sig från en färdig prototyp.

Sometimes when terrain is inaccessible to humans we use robots to help us explore it. In this project a self navigating robot was created that used ultrasonic sensors to detect obstacles in its path and avoided them. When an obstacle is encountered the robot documents said obstacle by taking photographs of it as well as registered its coordinates and created a map, as a bonus feature. Thereafter the robot continued its path based on where obstacles were absent. By using stepper motors to drive the robots traveled distance was calculated. With this information a map over the traveled path was created. Tests were conducted where the map was compared to real life as well as letting the robot roam freely. The tests showed the robots ability to evade obstacles and how well the integrated camera function performed. The placement of the sensors worked well enough considering only five were used. Although the robot would improve significantly if an increased amount of sensors were to be added. The algorithm enabled the robot to navigate and avoid all detected obstacles. It is the sensors that inhibited its navigation since they only detected obstacles directly in front of them. Since this was a mobile robot it was powered by batteries. The robot would be able to explore to a greater extent if it could recharge its batteries on its own, for example with solar panels. A GPS could be installed to keep track of the robot at all times. / Ibland är okänd terräng av olika skäl otillgänglig för människor och då kan en robot istället skickas ut för att undersöka dessa omgivningar. I detta projekt har en självnavigerande robot skapats där ultraljudssensorer användes för att registrera hinder som sedan dokumenterades. Dokumentationen gjordes genom att fotografera hinder och som en extra funktion registrerades deras koordinater och med dessa skapades en karta. Därefter valdes en ny riktning baserat på vilken väg som var fri från hinder. Stegmotorer användes för att driva roboten och genom att räkna på de antal steg dessa tog beräknades det avstånd roboten hade förflyttat sig. Med hjälp utav dessa avstånd skapades en karta över den tillryggalagda vägen. Tester utfördes där kartan jämfördes med verkligheten samt låta roboten upptäcka på fri hand. Detta visade hur väl den undvek hinder och hur väl den integrerade kamerafunktionen fungerade. Sensorernas placering fungerade bra med tanke på att endast fem användes. Däremot kan fler adderas för en mer exakt avläsning. Algoritmen fungerade väl då roboten parerade alla upptäckta hinder. Det var endast sensorerna som hämmade robotens navigering då de bara upptäckte hinder direkt framför dem. Då roboten var mobil behövdes batterier för att ge den ström. En framtida förbättring innefattar därför exempelvis att addera en solpanel som kan ladda batterierna för att göra den ytterligare självständig. Dessutom kan en GPS installeras för att kunna bevaka var roboten befinner sig i alla situationer.

This bachelor thesis is about the design and construction of a self-stabilizing platform. The purpose of this system is to balance objects placed upon the platform by keeping the platform level regardless of how the mechanism itself is rotated. Its uses include stabilization of sensors, cameras and vehicle cockpits. The prototype was constructed using 3D printing and basic machining. It uses two DC motors, an inertial measurement unit, an Arduino Uno microcontroller and a motor driver. The inertial measurement unit acts as an accelerometer and gyroscope, it measures the change in position and angle relative to its starting position. The controller algorithm processes the sensor signal and calculates an appropriate output signal. This output signal regulates the two DC motors in such a way that compensates for any angle changes in the platform. This project is based on, and is the continuation of the work by J. Larsson, titled ”Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. The task is to develop it to a functioning physical prototype and implement a control system which is fast, responsive and precise. The controller tuning process involved a trial and error approach, using binary search between parameters that give a performance that is too slow and a performance that is too fast and unstable. A satisfactory performance was achieved and the platform could effectively stabilize objects that weigh 400 grams at its center, 200 grams at its edges and 100 grams at its corners. This takes 100 milliseconds on average. Besides bearing loads, the platform could also compensate for sudden forced angle changes and any tilting of the mechanism the platform is attached to. / Det här kandidatexamensarbetet handlar om konstruktionen och framtagningen av en prototyp för en självstabiliserande plattform med ändamålet att hålla ett objekt horisontellt stabil. Det innebär att oberoende av hur mekanismen vrids eller rör sig kommer plattformen alltid vara parallell med marken. Appliceringsområden för plattformen kan vara att stabilisera kameror och sensorer, samt att hålla förarkabinen i en båt horisontellt stabil oavsett hur vattnet runtomkring rör sig. Prototypen består av en 3D-printad mekanism med två likströmsmotorer, en tröghetssensor, Arduino och motordrivare. Tröghetssensorn fungerar som en accelerometer och gyroskop - den avläser hur mycket plattformen ändrar sitt läge och vinkel relativt de ursprungliga. Data från tröghetssensorn bearbetas i en Arduino Uno-mikrokontroller med hjälp av reglerteknik, där en så kallad PID-regulator beräknar utsignal beroende på insignal. Arduinon skickar sedan utsignalen till motordrivaren som reglerar likströmsmotorerna för att kompensera för eventuella vinkeländringar. Detta projekt ¨ar ett utvecklingsarbete av ett tidigare masterexamensarbete av J. Larsson, med titeln ’ ’Gimbal stabilizer for cockpit bases of terrain vehicle or combat boat: A proof of concept”. Målet är att gå från ett koncept till en praktisk och verklighetsbaserad prototyp, samt att designa en regulator med god precision, stabilitet och responstid. För att bestämma hur regulatoralgoritmen ska fungera användes binärsökning för att hitta vilka P, I och D-värden PID-regulatorn ska ha. Det innebär att man ständigt tar ett medelvärde av en för långsam regulator och en som är för snabb och aggressiv tills önskad prestanda uppnås. Den slutgiltiga prestandan ansågs vara tillräcklig och plattformen kunde effektivt stabilisera 400 gram i mitten på den, 200 gram på dess sidor och 100 gram på dess hörn på ungefär 100 millisekunder. Vidare kunde den kompensera för plötsliga påtvingade vinkeländringar och för lutning hos mekanismen som den sitter fast i.

Inspired by the trend of automated homes, this thesis examines the possibility of designing a cheap and autonomous robot that will water plants effectively at home. Many existing solutions are cumbersome and not sufficiently effective, often due to flexibility and risk of over watering. Therefore this thesis examines a wheel based approach. In order to achieve the best possible results, the soil water content was measured, as opposed to a time-based approach where the user sets a timer to decide how often the plants are watered. This thesis also examines the advantages, and disadvantages of a capacitive moisture sensor versus a resistive moisture sensor, as well as effects of depth of penetration for the sensors. Controlled using an Arduino Uno, the robot was programmed to follow a line with IR-sensors, drive using differential steering, and had the ability to drive in reverse. It was able to identify a pot, read the moisture level of the soil, water it, and continue the loop. However, it was not completely autonomous as it is incapable of refilling the water tank – or recharging the batteries. It was stated that the resistive sensor was most suited to be used in the robot due to the relatively reliable results at increased depth. The results at deeper penetration were expected, as the moisture increased with depth when not recently irrigated. The capacitive sensor showed somewhat ambiguous results. The results showed higher water content deeper into the soil, compared to recently irrigated soils. / Inspirerade av trenden om automatiserade hem grundar sig detta arbete i möjligheten att skapa en billig och självgående robot som effektivt vattnar plantor i hemmet. Då många nuvarande lösningar är besvärliga och inte tillräckligt effektiva har detta kandidatarbete undersökt ett tillvägagångssätt som innefattar en robot byggd på en plattform med hjul. För att uppnå en effektiv bevattning grundar sig processen i fuktighetsnivån hos jorden plantorna sitter i, istället för en annars vanlig tidsbaserad bevattningsprocess. Därmed undersöker arbetet även fördelar och nackdelar med resistiva och kapacitiva jordfuktighetssensorer. Rapporten undersöker och redogör hur påverkan av djupet sensorn penetrerar jorden påverkar datan om jordens fuktighet. Kontrollerad av en Arduino Uno följde roboten en utsatt linje med hjälp av IR-sensorer och en motordrivare som implementerade både differentialstyrning och möjligheten att köra motorer i motsatt riktning. Den slutgiltiga roboten kunde med hjälp av ultraljudssensorer upptäcka en kruka, läsa av fuktighetsnivån i jorden, vattna och sedan fortsätta slingan. Däremot var den inte helt självkörande då den saknade förmågan att fylla på vattentanken och ladda sina batterier själv. Det konstaterades att den resistiva sensorn var bäst lämpad, tack vare dess tillförlitliga mätningar vid varierande djup. Den resistiva sensorns utslag vid djupare mätningar var förväntade, då den torra jorden ökade i fuktighet och den nyligen bevattnade jorden visade fortsatt fuktigt. Däremot visade den kapacitiva sensorn något tvetydiga resultat vid djupa mätningar, då de torra krukorna framstod som fuktigare än de nyligen bevattnade.

Self-stabilizing systems can be found in many contexts. They are used in aircraft and camera gimbals to name a few. In this project, a self-stabilizing container was constructed. The construction consists of three parts. An inner ring which rotates around the Z-axis, an outer ring which rotates around the Y-axis and a handle with space for three DC motors and a microcontroller. In this project an Arduino Nano was used. To detect inclination an IMU (Inertial Measurement Unit) was deployed. An IMU is a sensor consisting of three gyroscopes and three accelerometers, one for each coordinate axis. The software for the construction consists of four parts; angle reading, a Kalman filter, two PID-controllers and a motor controller. When a container is inserted into the construction the four-part system keeps the container horizontal and stable. Experimental data shows that in 84% of the tests the construction could stabilize the container. / Självstabiliserande system kan man finna i många olika sammanhang. Några exempel på självstabiliserande system är flygplan och kamerastabilisatorer. I detta projekt konstruerades en självstabiliserande behållare. Konstruktionen består av tre delar. En ring som kan rotera runt Z-axeln, en ring som kan rotera runt Y-axeln och ett handtag med plats för likströmsmotorer och mikrokontroller. I detta projekt användes Arduino Nano. För att avläsa vinklarna användes en tröghetsmäatare. En tröghetsmätare är en sensor som består av tre gyroskop och tre accelerometrar, en för varje axel. Mjukvaran i konstruktionen består av fyra delar; vinkelavläsning, ett Kalmanfilter, två PID-regulatorer och motorkontroller. Beroende på vilken vinkel konstruktionen har kommer någon av motorerna att korrigera vinkeln på behållaren. Testerna visade att konstruktionen kunde stabilisera behållaren i 84% av alla tester.

Today, there is an increasing demand for smart robots that can make decisions on their own and cooperate with humans in changing environments. The application areas for robotic arms with camera vision are likely to increase in the future of artificial intelligence as algorithms become more adaptable and intelligent than ever. The purpose of this bachelor’s thesis is to develop a robotic arm that recognises arbitrarily placed objects with camera vision and has the ability to pick and place the objects when they appear in unpredictable positions. The robotic arm has three degrees of freedom and the construction is modularised and 3D-printed with respect to maintenance, but also in order to be adaptive to new applications. The camera vision sensor is integrated in an external camera tripod with its field of view over the workspace. The camera vision sensor recognises objects through colour filtering and it uses an edge detection algorithm to return measurements of detected objects. The measurements are then used as input for the inverse kinematics, that calculates the rotation of each stepper motor. Moreover, there are three different angular potentiometers integrated in each axis to regulate the rotation by each stepper motor. The results in this thesis show that the robotic arm is able to pick up to 90% of the detected objects when using barrel distortion correction in the algorithm. The findings in this thesis is that barrel distortion, that comes with the camera lens, significantly impacts the precision of the robotic arm and thus the results. It can also be stated that the method for barrel distortion correction is affected by the geometry of detected objects and differences in illumination over the workspace. Another conclusion is that correct illumination is needed in order for the vision sensor to differentiate objects with different hue and saturation. / Idag ökar efterfrågan på smarta robotar som kan ta egna beslut och samarbeta med människor i föränderliga miljöer. Tillämpningsområdena för robotar med kamerasensorer kommer sannolikt att öka i en framtid av artificiell intelligens med algoritmer som blir mer intelligenta och anpassningsbara än tidigare. Syftet med detta kandidatexamensarbete är att utveckla en robotarm som, med hjälp av en kamerasensor, kan ta upp och sortera godtyckliga objekt när de uppträder på oförutsägbara positioner. Robotarmen har tre frihetsgrader och hela konstruktionen är 3D-printad och modulariserad för att vara underhållsvänlig, men också anpassningsbar för nya tillämpningsområden. Kamerasensorn ¨ar integrerad i ett externt kamerastativ med sitt synfält över robotarmens arbetsyta. Kamerasensorn detekterar objekt med hjälp av en färgfiltreringsalgoritm och returnerar sedan storlek, position och signatur för objekten med hjälp av en kantdetekteringsalgoritm. Objektens storlek används för att kalibrera kameran och kompensera för den radiella förvrängningen hos linsen. Objektens relativa position används sedan till invers kinematik för att räkna ut hur mycket varje stegmotor ska rotera för att erhålla den önskade vinkeln på varje axel som gör att gripdonet kan nå det detekterade objektet. Robotarmen har även tre olika potentiometrar integrerade i varje axel för att reglera rotationen av varje stegmotor. Resultaten i denna rapport visar att robotarmen kan detektera och plocka upp till 90% av objekten när kamerakalibrering används i algoritmen. Slutsatsen från rapporten är att förvrängningen från kameralinsen har störst påverkan på robotarmens precision och därmed resultatet. Det går även att konstatera att metoden som används för att korrigera kameraförvrängningen påverkas av geometrin samt orienteringen av objekten som ska detekteras, men framför allt variationer i belysning och skuggor över arbetsytan. En annan slutsats är att belysningen över arbetsytan är helt avgörande för om kamerasensorn ska kunna särskilja objekt med olika färgmättad och nyans.

Control theory and its applications are crucial when operating within the area of dynamic systems. Compensating for disturbances and external actions imposed on a given system being inherently unstable or semi-stable. Through the physical construction of a apparatus as a demonstrator of the theory further comparing the factual physical and computer simulated results derived from Newtonian mechanics. To enable comparison, designing a satisfactory controller capable of fulfilling the requirements set for the system is necessary. With regards to apparatus and control, the introduction of a proportional-integralderivative controller for a system balancing a ball on a platform. Further allowing for analysis to determine the limitations when stabilizing a naturally unstable or semi-stable system. Also, examine how these dier from the theoretical expectations. The control applied throughout the thesis is of the type linear, exclusively being able to operate properly within the linear spectrum of control. Using standard components and a microcontroller, a apparatus is constructed to maintain a ball on a platform. This is executed through programming with Arduino libraries and open source code. Hence, for research purposes, to see if the apparatus can operate satisfactory within the linear domain of control. With the aforementioned stated, this thesis will first cover the theoretical model of the ball on platform scenario through computer aided programs. Then compare the theoretical results with the results acquired from a physical construction. Further examine why dierences occur considering control theory and system implementation. / Reglertekniken och dess applikationer är centrala för att kontrollera dynamiska system och möjliggör för kompensering av störningar i system som är naturligt instabila eller semistabila. Genom konstruktion av en apparat som demonstrerar reglerteknisk teori kan vidare jämförelser mellan resultat från apparaten och datorsimuleringar, erhållna från Newtonsk mekanik, tillhandahållas. Syftet är vidare att utveckla en regulator som uppfyller de krav som sätts upp för systemet. Med hänsyn till apparaten och regulatorn, introduceras en proportionell-integrerande-deriverande regulator för en bollbalanserande plattform. På så sätt kan begränsningarna vid stabilisering av ett naturligt instabilt eller semistabilt system bestämmas. Vidare studeras hur dessa skiljer sig från de teoretiska förväntningarna. Endast linjär kontroll kommer att användas i detta projekt, därav en apparat som enbart är välfungerande inom ett linjärt domän. Genom användning av standardkomponenter och en mikrokontroll konstrueras en apparat för att bibehålla en boll på en plattform. Detta möjliggörs genom programmering med Arduinos bibliotek och öppen källkod. Således är, ur forskningssynpunkt, anordningens förmåga att fungera väl inom den linjära domänen av intresse. Utifrån detta kommer examensarbetet först att redogöra för den teoretiska modellen av en boll balanserande på en plattform genom användandet av datorprogram. För att sedan jämföra de teoretiska resultaten med de resultat som erhålls från den fysiska bollbalanserande konstruktionen. Vidare undersöks varför skillnader uppstår med hänsyn till reglerteknik och systemimplementering