Reverse engineering of a robotic arm motor system

Abstract

Melexis is a Belgian supplier of microelectronics components mainly active in the automotive area. The project is focused on the robotic field to let the company approach this new domain. It consists on designing motors controllers for a robotic arm using BLDC motors. A major constraint is to control accurately the motors position. As a basis, a robot from another company is used. A reverse engineering is performed on this one and all the electronic part is build from scratch with existing Melexis chips. The project is divided into two sections. Namely, the hardware design of the motor controllers and the modeling of a magnet for the positioning of the motors. For the hardware design, the motor controllers are conceived with Melexis components. They are then assembled and tested to ensure the proper working of those ones. To measure the position of the motors, a magnet as well as magnetic sensors are used. Firstly, the position of the motors as well as the accuracy of the system are computed with the data from the sensors. Then, the same computations are made with the data from the simulations of the magnet. It allows to compare the two results and to notice the difference between them. The obtained results show that the positioning accuracy with the experimental data reach a better level than the accuracy from the simulations. The results got by simulations can also be used to tests other configurations without developing new PCB. The impact of the presence of a parasitic magnetic field, the size and the material of the magnet or the position of the sensors can be visualized quite easily. With the PCB, some improvements can be done but the achieved accuracy shows that it is possible to reach an accurate system. With the simulations, the error in the computed position is bigger but the position of the motor can also be found. The final aim of the robot is to be used as a demo for potential customers. This demo will show what the Melexis components can perform in the robotic area.

Melexis est un fabricant belge de composants micro´electroniques principalement actif dans le secteur automobile. Ce projet est cependant ax´e sur le domaine de la robotique afin d’introduire celui-ci dans l’entreprise. Il consiste `a concevoir des contrˆoleurs de moteurs pour un bras robotique utilisant des moteurs BLDC. La contrainte majeur ´etant de controller la position des moteurs de la fa¸con la plus pr´ecise. Un robot provenant d’une entreprise externe est utilis´e comme base. De la reverse engineering est effectu´ee sur celui-ci afin de recr´eer de nouveaux controlleurs utilisant des composants Melexis. Le projet est decompos´e en deux parties distinctes. La premiere partie consiste `a designer l’hardware des controlleurs. Dans la deuxi`eme partie, un aimant servant a positionner pr´ecisement les moteurs est modelis´e. Pour la premiere partie, les controlleurs de moteurs sont con¸cus `a l’aide de composants Melexis. Ils sont ensuite assembl´e et test´e afin de s’assurer du fonctionnement correct de ceux-ci. Pour mesurer la position du moteur, un aimant ainsi que des capteurs magn´etiques sont utilis´es. Tout d’abord, la position des moteurs ainsi que la pr´ecision du systˆeme de positionnement sont d´etermin´ees `a partir des donn´ees des capteurs. Ensuite, les mˆemes mesures sont effectu´ees `a partir des simulations. Ces r´esultats permettent d’effectuer une comparaison entre ceux-ci et de souligner leur diff´erence. Il est montr´e que la pr´ecision obtenue `a partir des donn´ees exp´erimentale atteint un niveau plus elev´e que celle obtenue par simulation. Les r´esultats obtenus par simulations peuvent ˆetre ´egalement utilis´e pour tester de nouvelles configurations sans devoir developper de nouveaux PCB. L’impact de la pr´esence d’un champs magn´etique parasitique, la taille et le mat´eriaux de l’aimant ainsi que la position des capteurs peuvent ˆetre visualis´e plus facilement. Pour les PCB, la pr´ecision obtenue montre qu’il est possible d’atteindre un systˆeme de positionnement pr´ecis. Au niveau des simulations, les erreurs obtenues pour le calcul de la position du moteur restent plus grande mais la position peut malgr´e tout ˆetre obtenue. L’objectif final du projet sera d’utiliser le robot comme d´emo pour de potentiels clients. Celle-ci montrera les performances atteintes par les composants dans un domaine robotique.