Design & implementation of a real-time distributed EtherCAT-based motion control system for a multi-DoF quadruped robot [article]

Aristotelis Papatheodorou, National Technological University Of Athens
2021
Περίληψη Η παρούσα εργασία πραγματεύεται τον σχεδιασμό λογισμικού πραγματικού χρόνου για ενσωματωμένα συστήματα διασυνδεδεμένα σε ειδικά σχεδιασμένο δικτύο EtherCAT για τον έλεγχο κίνησης του τετράποδου ρομπότ Laelaps II του Εργαστηρίου Αυτομάτου Ελέγχου της Σχολής Μηχανολόγων Μηχανικών. H εν λόγω υλοποίηση αποτελεί αποτέλεσμα εκτεταμένης μελέτης που συνδυάζει ποικιλία πεδίων και ειδικοτήτων. Η εργασία βασίζεται σε προηγούμενες υλοποιήσεις των υποσυστημάτων του ρομπότ και εστιάζει στον βέλτιστο
more » ... επανασχεδιασμό τους και στην προσθήκη νέων στοιχείων με στόχο την μεγιστοποίηση της ευελιξίας του ρομπότ με επιδόσεις συγκρίσιμες ή ανώτερες των σημαντικότερων ρομποτικών συστημάτων σε παγκόσμιο επίπεδο. Στο δεύτερο κεφάλαιο παρουσιάζεται η αρχιτεκτονική του κατανεμημένου συστήματος επεξεργασίας του Laelaps II, με έμφαση στο τελευταίας γενιάς δίκτυο EtherCAT. Η ευελιξία και η ντετερμινιστική φύση του πρωτοκόλλου, το καθιστούν κατάλληλο για τέτοιες εφαρμογές. Στο τρίτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ένας νέος αλγόριθμος σχεδιασμού τροχιάς για την κίνηση των ποδιών που αντιμετωπίζει ορισμένες παθογένειες του υπάρχοντος, όσον αφορά βηματισμούς μικρής ταχύτητας όπως το περπάτημα. Ενώ ο υπάρχων αλγόριθμος στόχευε σε δυναμικές συμπεριφορές που απαντώνται σε κινήσεις υψηλών ταχυτήτων, ο νέος αλγόριθμος χρησιμοποιεί τροχιές σταθερής πρόσθιας ταχύτητας και ομαλότερων μεταβάσεων μεταξύ των φάσεων εδάφους και αέρα, επιτυγχάνοντας έτσι ομαλότερη κίνηση σε βηματισμούς χαμηλής ταχύτητας. Ακόμα, μειώθηκε σε μεγάλο βαθμό το υπολογιστικό κόστος του συνολικού λογισμικού ελέγχου του ρομπότ, χρησιμοποιώντας αρχιτεκτονικές παράλληλης επεξεργασίας που αξιοποιούν καλύτερα τις δυνατότητες των ενσωματωμένων υπολογιστικών συστημάτων. Ιδιαίτερη έμφαση δόθηκε στη διασφάλιση της ορθής λειτουργίας του λογισμικού, με την υιοθέτηση αυστηρών προτύπων ανάπτυξης κώδικα, όπως το MISRA C. Στο τέταρτο κεφάλαιο, παρουσιάζεται ο σχεδιασμός και η υλοποίηση δύο συστημάτων αδρανειακών αισθητήρων που προστίθενται στο δίκτυο EtherCAT για την εκτίμηση της θέσης και του προσανατολισμού του ρομπότ. Αυτό αποτελεί ουσιαστικό βήμα για την επίτευξη των περισσότερων σχημάτων ελέγχου κίνησης που απαντώνται στη βιβλιογραφία. Η ενσωμάτωση των συγκεκριμένων αισθητήρων υποβοηθήθηκε από την ευκολία επεκτασιμότητας που παρουσιάζει ο βασισμένος στο EtherCAT σχεδιασμός του ρομπότ. Το πέμπτο κεφάλαιο αποτελεί έναν οδηγό για την χρήση και την ορθή λειτουργία του τετραπόδου. Παρέχει ένα σύνολο βημάτων που εγγυώνται την απρόσκοπτη εκτέλεση πειραμάτων, ενώ βοηθά το χρήστη να κάνει ρυθμίσεις ανάλογα με τις ανάγκες του. Στο έκτο κεφάλαιο, παρουσιάζονται μέθοδοι για την αναγνώριση των σημαντικότερων παραμέτρων του ρομπότ, π.χ. των αδρανειακών παραμέτρων των τμημάτων του. Η ανάγκη αυτή προκύπτει στα πλαίσια της εκτέλεσης αξιόπιστων προσομοιώσεων και του σχεδιασμού ελεγκτών που βασίζονται στις παραμέτρους του συστήματος. Τέλος, στο έβδομο κεφάλαιο, περιγράφεται ένας αλγόριθμος προσαρμογής της ισχύος των επενεργητών σε πραγματικό χρόνο, ώστε να επιτυγχάνεται μείωση της θερμικής τους καταπόνησης και συνακόλουθη αύξηση του προσδόκιμου ζωής τους. Έτσι, το τετράποδο μπορεί να προσαρμόζεται στις εκάστοτε απαιτήσεις ισχύος και ταυτόχρονα να υλοποιεί βραχυπρόθεσμες δυναμικές συμπεριφορές υψηλής ισχύος. 2/217 Abstract The present thesis focuses on the design and implementation of a distributed EtherCAT-based motion control system for the quadruped robot Laelaps II. The new design is based on prior studies conducted by the Legged Robots Team of the Control Systems Lab in NTUA, and adds new state of the art features to bring the resulting architecture among the most advanced motion control systems worldwide. The final system combines several promising technologies in a distributed EtherCAT-based architecture, aiming at providing the robot with maximum agility. Specifically, the main focus lies on the firmware and electronics aspects of the motion control system. The second chapter includes a thorough study of the distributed control architecture of Laelaps II, focusing on the key properties of the underlying EtherCAT network. The modularity of the protocol, along with its high-end features, makes it ideal for the desired deterministic, high-frequency network used for the interconnection of all the robot's subsystems. In the third chapter, a new trajectory planning algorithm is developed to improve the locomotion skills of the quadruped at low speed gaits such as walking. While the previous planner promoted highly dynamic behaviors, such as running, the new planner stands out for its robustness and stability in slow constant speed gaits. Besides, the computational cost of the underlying firmware was significantly reduced by setting up a parallel processing scheme exploiting the respective capabilities of the onboard embedded systems. The designed software complies with MISRA C, one of the industry's leading security and safety standards. In the fourth chapter, inertial sensors are introduced to the robot's network to assess the location and orientation of the robot, making a key step towards autonomy. The integration of the sensors was fascilitated significantly by the modularity and extendability of the adopted EtherCAT-based architecture. The fifth chapter includes a guide for the proper operation of the system. It provides a set of steps that guarantee the flawless execution of experiments, while helping the user understand how to modify important settings according to various needs. The sixth chapter presents a framework designed for the parameter identification of the robot's legs. This step enables the execution of precise simulations and the design of modelbased control schemes. Finally, in the seventh chapter, an online algorithm has been developed for adjusting the power output of Laelaps II actuators, to account for thermal fatigue and thus increase their life expectancy. The final system is capable of adapting to any condition and allowing short-term overloads safely whenever necessary. 3/217
doi:10.26240/heal.ntua.21436 fatcat:xcig5jl65zbubjxtelzrky2bsm