Sviluppo di un ambiente di simulazione basato su ROS per un manipolatore iper-ridondante azionato tramite cavi

Abstract

Questa tesi si concentra sullo sviluppo di un ambiente di simulazione per un manipolatore a cavi progettato presso il Laboratorio di Robotica Avanzata dell'Istituto Italiano di Tecnologia (IIT). I manipolatori a cavi offrono notevoli vantaggi, come grandi spazi di lavoro, strutture leggere e meccaniche più semplici, rendendoli ideali per la robotica medica e l'automazione industriale. Tuttavia, il loro design flessibile richiede una simulazione accurata per applicazioni reali.

L'obiettivo del progetto è creare un ambiente di simulazione affidabile utilizzando Gazebo e ROS, passando da LabVIEW a ROS per la sua natura modulare, open-source e scalabile nella gestione di sistemi robotici in tempo reale. Una delle sfide principali è stata la modellazione dei cavi come componenti elastici. Invece di modellare fisicamente i cavi, vengono simulate le forze che essi esercitano sulle pulegge.

Per valutare il comportamento del sistema, sono state eseguite simulazioni preliminari in Simulink, fornendo le basi per la simulazione finale in ROS-Gazebo. I primi tentativi di costruire il sistema utilizzando nodi ROS hanno fallito a causa di instabilità e latenze, portando allo sviluppo di un plugin personalizzato per Gazebo. Questo plugin ha migliorato la dinamica grazie a un'integrazione più stretta con il motore fisico di Gazebo. Un controllore PD è stato aggiunto per gestire il calcolo delle forze e applicarle al sistema. Inoltre, è stata progettata un'interfaccia utente che consente di inserire le posizioni target per ciascuna giuntura.

Sul fronte hardware, il progetto mira a implementare a lungo termine un controllo di basso livello utilizzando un microcontrollore LattePanda e il protocollo CANbus. Un test preliminare utilizzando ROS2 ha controllato con successo la frequenza di un LED tramite CANbus, con l'obiettivo futuro di estendere questo controllo ai driver dei motori.

This thesis focuses on developing a simulation environment for a cable-driven manipulator designed at the Italian Institute of Technology’s (IIT) Advanced Robotics Lab. Cable-driven manipulators offer significant advantages, such as large workspaces, lightweight structures, and simpler mechanics, making them ideal for medical robotics and industrial automation. However, their flexible design requires accurate simulation for real-world applications.

The project aims to create a reliable simulation environment using Gazebo and ROS, transitioning from LabVIEW to ROS for its modularity, open-source nature, and scalability in managing real-time robotic systems. A key challenge was modeling the cables as elastic components. Instead of physically modeling the cables, the forces they exert on the pulleys are simulated.

To evaluate the system, initial simulations were performed in Simulink, laying the groundwork for the ROS-Gazebo simulation. Early attempts with ROS nodes faced instability and latency issues, leading to the development of a custom Gazebo plugin. This plugin improved dynamics by integrating closely with Gazebo’s physics engine. A PD controller was added to manage force calculations and apply forces to the system. Additionally, a user interface allows users to input target joint positions.

On the hardware side, the project aims to implement low-level control using a LattePanda microcontroller and the CANbus protocol. A preliminary test using ROS2 successfully controlled an LED’s frequency via CANbus, with plans to extend this to motor driver control in future phases.