Implementación FPGA para Manipuladores robóticos y compiladores GNU de programas. Ing. Eduardo Damián Granzella Ing. Christian R. Gutierrez. Universidad Tecnológica Nacional Facultad Regional Buenos Aires SASE-2013

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 2 H.Giannetta Temario  Introducción a la Cinemática y Dinámica de los manipuladores robóticos.  Implementación en FPGA del control del robot.  Introducción y desarrollo de compiladores GNU para robots de N grados de libertad configurables.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 3 H.Giannetta Ejemplos de robots Industriales

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 4 H.Giannetta Robots Móviles

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 5 H.Giannetta Estructura mecánica del manipulado Mecánicamente, un robot está formado por una serie de elementos o eslabones unidos mediante articulaciones que permiten un movimiento relativo entre cada dos eslabones consecutivos. La constitución física de la mayor parte de los robots industriales guarda cierta similitud con la anatomía del brazo humano, por lo que en ocasiones, para hacer referencia a los distintos elementos que componen el robot, se usan términos como cuerpo, brazo, codo y muñeca. El movimiento de cada articulación puede ser de : Desplazamiento Giro Combinación de ambos. De este modo son posibles los seis tipos diferentes de articulaciones.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 6 H.Giannetta Geometrías de manipuladores robóticos Para lograr un posicionamiento en el espacio es necesario poder controlar 3 ejes de posición y 3 ejes de rotación 6 (x, y, z, ρ, θ, φ) Cuantos grados de movilidad tiene un cuerpo rígido en el plano? 3 (x, y, θ)

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 7 H.Giannetta Grados de Libertad [§26]

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 8 H.Giannetta Esquema general de un robot

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 9 H.Giannetta Arquitecturas de robots Industriales Robots SCARA (Selective compliant assembly robot arm)) [§IFR] Robot que tiene dos articulaciones de rotación para proporcionar una situación de conformidad en el plano.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 10 H.Giannetta Arquitecturas de robots Industriales Robots Articulados [§IFR] Robot cuyo brazo tiene al menos tres articulaciones de rotación.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 11 H.Giannetta Arquitecturas de robots Industriales Robots Paralelo [§IFR] Cuyos brazos robot poseen concurrencia de articulaciones prismáticas o rotativas.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 12 H.Giannetta Actuadores Eléctricos Motor Brushless Los motores DC brushless son otro tipo de servomotor en que la retroalimentación es necesaria. Al contrario de los motores DC, estos realizan la conmutacion de las bobinas electronicamente, de modo que la mecánica colector y cepillos ya no son necesarios.. Motores brushless DC se utilizan comúnmente en aplicaciones de robótica a causa de su alta capacidad de velocidad, alta eficiencia y bajo mantenimiento A su vez son capaces de obtener una mayor velocidades, debido a la eliminación de la mecánica colector. Son más eficientes porque el calor de los bobinados del estator puede ser disipado con mayor rapidez a través del casco de motor. Por último, requieren menos mantenimiento porque no tienen cepillos que requieren reemplazo periódico. Sin embargo, el coste total del sistema para motores brushless es superior a la de los motores DC cepillo debido a la complejidad de conmutación electrónica.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 13 H.Giannetta Actuadores Eléctricos Motor Paso a Paso En los últimos años se han mejorado notablemente sus características técnicas, especialmente en lo relativo a su control, lo que ha permitido fabricar motores paso a paso capaces de desarrollar pares suficientes en pequeños pasos para su uso como accionamientos industriales. Existen tres tipos de motores paso a paso : De imanes permanentes. De reluctancia variable. Híbridos.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 14 H.Giannetta Compiladores DESARROLLO DEL LENGUAJE DE PROGRAMACIÓN, COMPILADOR Y SIMULADOR ASOCIADO PARA ROBOT TIPO SCARA Robot tipo SCARA de 3 grados de libertad

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 15 H.Giannetta Introducción :  Desarrollo de un compilador del Lenguaje RT (Robot Tecnológico)  Características del Lenguaje RT  Controlador embebido  Programador gráfico o HMI (Interfaz hombre-máquina)

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 16 H.Giannetta Ventajas Comparativas Programado en software libre puede ser ejecutado tanto en Linux como en Microsoft Windows. No requiere el pago de licencias de uso por estar programado bajo licencia GPL (GNU General Public Licence). El compilador es escalable y de código abierto. Permite:  Agregar nuevas funciones.  Adaptarlo a cualquier otro manipulador.  Modificar el programa según necesidades.  Adaptar o traducir las instrucciones.

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 17 H.Giannetta Robot SCARA Selective Compliant Assembly Robot Arm Manipulador de 3 grados de libertad 2 articulaciones rotativas 1 actuador lineal

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 18 H.Giannetta Espacio de trabajo Configuración “brazo derecho”

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 19 H.Giannetta Espacio de trabajo Configuración “brazo Izquierdo”

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 20 H.Giannetta Espacio de trabajo alcanzable Usando ambas configuraciones

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 21 H.Giannetta Compilador Traduce un programa escrito en un lenguaje determinado a otro lenguaje, creando un programa equivalente que pueda ser interpretado por la máquina. Compilador Programa ejecutable (robcomp) Código fuente robcomp Programa en Lenguaje RT dq123 Consignas de velocidad de cada articulación  Al controlador

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 22 H.Giannetta Funciones Generales Firmware + VHDL PC Linux o Windows Programa RT Compilador RT xyz q123 dq123 do Programador Gráfico o Editor de texto OK? Para visualización o simulación (Matlab, gnuplot, Programador Gráfico) Datos para PWM y salidas dq123 NO SI dq2 dq3 DO byte dq1M1Controlador PWM 1 M2Controlador PWM 2 M3Controlador PWM 3 DODriver Salidas Config. Sincronismo con Clock

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 23 H.Giannetta Funciones del compilador Generación de Trayectorias Código fuente Calculos Cinematica Inversa Verificación Limites Velocidad Verificación Espacio Alcanzable q123 xyz dq123

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 24 H.Giannetta Compilador - Diagrama en Bloques Visualización y simulación

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 25 H.Giannetta Proceso de build del compilador flex gcc -o bison robcomp.h lex.yy.c y.tab.hy.tab.c lex.yy.o cineinv.o gcc -o gccrobcomp gcc -o gentray.omain.o y.tab.o Makefile make cineinv.cgentray.cmain.crobcomp.lrobcomp.y

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 26 H.Giannetta Lenguaje RT – Características 4 tipos de movimientos: Movimiento articular ( q 1 q 2 q 3 ) Movimiento rápido sin trayectoria definida En línea recta En trayectoria circular

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 27 H.Giannetta Lenguaje RT – Características Trabajo con puntos predefinidos: Posición cartesiana ( x y z ) Posición articular ( q 1 q 2 q 3 ) Visualización y modificación de variables Salidas digitales Manejo de esperas Soporte para comentarios

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 28 H.Giannetta Lenguaje RT – Características 2 tipos de perfiles de velocidad: Perfil trapezoidal Perfil cicloidal Perfil trapezoidal Perfil cicloidal Posición Velocidad Aceleración [°/s] [°/s 2 ] [°] t [s]

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 29 H.Giannetta Lenguaje RT – Características Sistemas de coordenadas Offset general ( x Offset y Offset z Offset ) Coordenadas: Absolutas ( x y z ) Relativas ( x r y r z r ) y x x0x0 y0y0 xrxr yryr x actual y actual y Offset x Offset

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 30 H.Giannetta Lenguaje RT – Características Trabajo con puntos predefinidos: Posición cartesiana ( x y z ) Posición articular ( q 1 q 2 q 3 ) Visualización y modificación de variables Salidas digitales Manejo de esperas Soporte para comentarios

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 31 H.Giannetta Controlador - Diagrama en Bloques

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 32 H.Giannetta Driver en VHDL - Esquemático Motor brushless

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 33 H.Giannetta mover mover linea s100 linea s100 linea s100 linea s100 linea s100 linea s100 mover mover circ s100 mover c0 mover mover circ s100 Mover fin

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 34 H.Giannetta Compilador Grafico

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 35 H.Giannetta Caractesticas del compilador 4 tipos de movimientos:  Movimiento rápido sin trayectoria definida  Movimiento articular  En línea recta  En trayectoria circular 3 tipos de perfiles de velocidad:  MRU (solo para simulación)  Perfil trapezoidal  Perfil sigmoidal Visualización y modificación de variables Soporta comentarios 3 posicionamientos posibles:  Absoluto  Relativo  Con offset arbitrario Puntos predefinidos:  Punto cartesiano  Posición articular

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 36 H.Giannetta Preguntas?

Implementación FPGA y Compiladores en manipuladores Robóticos 37 H.Giannetta GRACIAS !