Table of Contents

 

ABSTRACT�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� ii

ACKNOWLEDGEMENTS�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� iii

TABLE OF CONTENTS����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� iv

LIST OF TABLES AND FIGURES������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ vii

TABLES�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� vii

FIGURES������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ vii

 

PROJECT HISTORY & OVERVIEW��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1

1.1 GATEWAY COALITION PROGRAM BACKGROUND��������������������������������������������������������������������������������� 1

1.2 1996-1997 DESIGN����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 1

1.3 1997-1998 DESIGN����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 2

1.4 1998-1999 DESIGN����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 4

1.5 1999-2000 DESIGN����������������������������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������� 5

1.6 2000 GRADUATE STUDENT DESIGN��������������������������������������������������������������������������������������������������������� 6

1.7 MARKET ANALYSIS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 7

 

COALITION DYNAMICS����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 10

2.1 PARTICIPANTS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 10

2.2 COMMUNICATION TECHNIQUES����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 11

2.3 PROJECT TASK ASSIGNMENTS����������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 11

 

2000-2001 ARM OVERVIEW�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12

3.1 OBJECTIVES���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12

3.2 DESIGN CONSTRAINTS��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 12

3.3 CONFIGURATION��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 13

3.4 TERMINOLOGY������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 14

3.5 PERFORMANCE HIGHLIGHTS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 17

 

BASE������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 18

4.1 MOUNTING BRACKETS��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 18

4.2 BASEPLATE DESIGN������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 19

 

LOWER ARM����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 29

5.1 SHOULDER JOINT������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 29

5.2 LOWER ARM TUBE����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 31

5.3 ELBOW MOTOR����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 33

 

FOREARM��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 38

6.1 FOREARM TUBING������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 38

6.2 WRIST DIFFERENTIAL������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 40

 

GRIPPER������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 42

7.1 RESEARCH AND CONCEPTS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 42

7.2 DESIGN AND ACTUATION����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 44

 

MOTOR TESTING��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 49

8.1 MOTOR RESEARCH AND SELECTION PROCESS���������������������������������������������������������������������������������� 49

8.2 MOTOR TESTING��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 51

 

CONTROLS HARDWARE������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 58

9.1 MICROCONTROLLER������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 58

9.2 MOTOR CONTROLLER����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 59

9.3 ANGLE MEASUREMENT FOR CLOSED LOOP FEEDBACK����������������������������������������������������������������� 60

 

CONTROLS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 61

10.1 KINEMATICS AND CONTROL STRATEGY����������������������������������������������������������������������������������������������� 61

10.2 OOPIC AND CODE DEVELOPMENT�������������������������������������������������������������������������������������������������������� 62

 

FUTURE CONSIDERATIONS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 65

11.1 GENERAL������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 65

11.2 MOTORS��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 65

11.3 GRIPPER��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 65

11.4 CONTROLLER������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 66

 

APPENDIX A����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 67

A.1 - SHOULDER, LOWER ARM, AND FOREARM BILL OF MATERIALS���������������������������������������������������� 67

A.2 - GRIPPER BILL OF MATERIALS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 69

A.3 - CONTROLS BILL OF MATERIALS������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 70

A.4 - SUMMARIZED COST OF ARM������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 71

A.5 - SUPPLIER INFORMATION��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 72

 

APPENDIX B����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 73

B.1 TORQUE CALCULATIONS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 73

B.2 GEAR RATIO CALCULATIONS FOR FIRESTORM 18V DRILL MOTOR������������������������������������������������� 74

 

APPENDIX C����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 78

C.1 KINEMATICS���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 78

C.2 MASTER OOPIC CONTROL CODE������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 81

C.3 SLAVE OOPIC CONTROL CODE���������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������� 88

 

APPENDIX D����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 91

ELECTRICAL SCHEMATICS�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 91

 

APPENDIX E����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 92

E.1 ALTERNATIVE CONTROLS��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 92

E.2 INTRODUCTION AND GOALS����������������������������������� ����������������������������������������������������������������������������������� 92

E.3 ASSUMPTIONS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 92

E.4 CONTROL DESIGN � GENERAL DESCRIPTION�������������������������������������������������������������������������������������� 93

E.5 CONTROLS DESIGN � DETAILED DESCRIPTION����������������������������������������������������������������������������������� 95

E.6 HARDWARE/CONSTRUCTION��������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 105

E.7 CODE���������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 108

E.7.1 HEADER FILE����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 108

E.7.2 MAIN PROGRAM������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 110

 

APPENDIX F����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 114

MOTOR TESTING PROCEDURE������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 114

 

APPENDIX G����������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 116

PART DRAWINGS�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 116

 

REFERENCES�������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 155

 

ADDENDUM������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������ 156

DESIGN MODIFICATIONS������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������������� 156