Balancing arm for a Robotic Waiter

This project focuses on balancing a drinking glass, to be able to transport it without the contents being spilled. It is designed with the aim of replacing a waiter in a restaurant or bar environment, but the technology itself could well be applied on mobile cup holders in cars or boats for instance. The core of the project is to study how and if it is possible to create a platform capable of balancing a drinking glass when exposed to different acceleration forces. This report describes one way of constructing this cup holder, with explanations of how the hardware has been designed and put together as well as how the software was written to make the components work together. The objective was to tilt the platform so that the acceleration resultant always was aligned with the z-axis of the sensor. The balancing part was divided in two separate systems, each controlling one rotation around two perpendicular axes. The rotation was controlled by two DCmotors, which counter forces that occur when the prototype is tilted and accelerated in different directions. To measure these movements, an IMU sensor containing both an accelerometer and a gyroscope was used. This sensor was placed in the center of rotation to increase sensor accuracy. To relate the input signal from the sensor to the output signal to the motors, a PIDcontroller was used. It was studied whether mathematical modelling or experimental testing provided the best method to determine the parameter values for this PID-controller. To test the performance, data about acceleration and relative angle to the acceleration resultant was gathered. This showed how high accelerations the system could handle, to evaluate if the system could be used in a restaurant or a bar environment. It also showed how much the platform was tilting in relation to the acceleration resultant, which determines if the liquid would stay in the glass. Additionally, a survey was created to gather opinions regarding robots in a restaurant or bar environment. The implementation is deemed possible and the survey showed that there is a great interest for this product. A clear majority answered that they would be attracted to a restaurant or a bar with robotic waiters. The study of three different ways to apply the derivative part of the PIDcontroller concludes that the use of the gyroscope was the best for this application, despite its inability to react on acceleration from linear motion. Experimental testing proved most time efficient to determine the parameter values for the PID-controller, but the non-linearized mathematical model of the system that is presented could well serve as a foundation to further improve this controller.Detta projekt fokuserar på balanseringen av ett dryckesglas, för att kunna transportera detta utan att innehållet spills ut. Designen är främst tänkt för att ersätta en servitör i restaurangverksamhet, men teknologin kan väl appliceras till mobila dryckeshållare i exempelvis bilar och båtar. Kärnan i projektet är att studera hur och om det är möjligt att skapa en plattform som klarar av att balansera ett dryckesglas när den utsätts för olika accelerationskrafter. Denna rapport beskriver ett sätt att gå tillväga för att konstruera denna dryckeshållare, med förklaringar om hur hårdvaran har designats och satts ihop samt hur mjukvaran fått komponenterna att fungera tillsammans. Målet var att vrida plattformen så att accelerationsresultanten alltid var riktad längs sensorns z-axel. Balanseringen delades upp i två separata system som reglerar varsin rotation kring två vinkelräta axlar. Rotationen drivs av två DC-motorer, som motverkar de krafter som uppstår när testplattformen vinklas och accelererar i olika riktningar. För att mäta dessa röresler användes en IMU-sensor som innehöll både accelerometer och gyroskop. Sensorn var placerad i rotationscentrum för att öka precisionen i mätningarna. För att relatera insignalen från sensorn till utsignalen till motorerna användes en PID-kontroller. Det undersöktes om matematisk modellering eller experimentell testning gav den bästa metoden att bestämma parametrarvärdena till denna PID-kontroller. För att testa prestationsförmågan samlades accelerationsdata samt data om den relativa vinkeln till accelerationsresultanten. Detta visade hur höga accelerationer som systemet klarade att hantera, för att utvärdera om systemet kunde användas i en restaruang- eller barmiljö. Det visade även hur mycket plattformen lutade relativt accelerationsresultanten, vilket avgör om vätskan stannar i glaset. Till detta gjordes också en undersökning för att samla in åsikter om robotar i restaurang- eller barmiljö. Implementationen av denna robot bedöms möjlig och det finns ett intresse för en sådan produkt. En klar majoritet av de tillfrågade svarade att de skulle vara lockade till en restaurang eller bar med robotservitörer. Vid undersökningen av tre olika sätt att applicera den deriverande delen i PID-kontrollern drogs slutsatsen att användadet av gyroskopet var det som fungerade bäst i tillämpningen, trots att den inte kan ta hänsyn till acceleration från rätlinjig rörelse. Experimentell testning visade sig vara mest tidseffektivt för ta fram parametervärdena till PID-kontrollern, men den presenterade icke-lineariserade matematiska modellen av systemet kan väl utgöra en grund för att förbättra denna kontroller