Software framework for high precision motion control applications

Abstract

Bir hareket kontrol sistemi geliştirmek, denetim, elektronik ve yazılım gibi bir çok farklı alanda çalışma ve uğraşmayı gerektirir. Bunlara ek olarak, farklı sistemlerin, biyomedikal mühendisliğinden psikolojiye kadar birçok farklı sistem gereksinimleri mevcuttur. Her ne kadar, bu alanlar diğerlerinin uzmanlık alanlarının ihtiyacı doğrultusunda kullanılacak olsa da, aralarındaki işbirliği elzemdir.Robot teknolojisi uygulamaları yaratabilen birçok yazılım altyapısı bulunmaktadır. Ancak, halen mekatronik sistemler yaratmada belli standartlar ve bu tip sistemlerin programlanmasında tüm bu durumların üstesinden gelebilecek eksiksiz bir yazılım paketi yoktur. Var olan altyapılar bazı avantajlarının yanında birçok da dezavantaja sahiptir. Bu altyapılar problemin hareket kontrol sürecinin gelişiminde genellikle sınırlı kalmakta veya mevcut probleme özelleşmiş olarak çalışmamaktadır, bunun yanında, büyük ölçüde robot-çevre etkileşimleri ve mekanizmanın iç iletişimi ile uğraşmaktadır. Bu altyapılar problemin üst seviyeleriyle uğraşmaktadır ancak üst seviyeler gerçek zamanlı kısıtlara ihtiyaç duymayabilir. Bu noktadan hareketle, bu altyapılar gerçek zamanlı uygulamalar için tasarlanmamıştır. Bu çalışmada önerilen yazılım altyapısı, bir sistem içinde kullanılan farklı uzmanlık alanlarının birbirinden soyutlanarak bağımsız bir şekilde tasarlanmasını hedeflemektedir. Bu altyapının kullanılmasındaki amaç herhangi bir sistem için özelleşmiş, sürdürülebilir bir yazılım altyapısı oluşturmaktır. Sürdürülebilirlik bir sisteme, farklı platformlarda ve donanım ve yazılım arasında soyutlama katmanı kullanan diğer sistemlerle birlikte kullanılabilen güçlü bir yazılım elde etmek amacıyla değişen gereksinimler ve farklı donanımlar durumunda gelişebilme olanağı tanır. Bu nedenle, sistemler için elzem bir unsurdur. Bu sayede, sistem işlemekte olduğu platformdan başka bir platforma ve buna ek olarak bir donanım setinden diğerine taşınabilir.Altyapı, 10 serbestlik derecesine sahip mikro montaj iş istasyonu, modüler mikro fabrika ve gecikmeli dokunma duyusu aktaran sistem gibi hassas hareket kontrol gerektiren sistemler üzerinde denenmiştir. Bahsedilen her bir sistem farklı platformlarda ve farklı hareket kontrol gereksinimleriyle çalışmaktadır. Uygulamalardan elde edilen sonuçlar, önerilen yazılım altyapısının, hareket kontrol yazılımları içinde önemli bir araç olduğunu göstermektedir.

Developing a motion control system requires much effort in different domains. Namely control, electronics and software engineering. In addition to these, there are the system requirements which may be completely different to these spanning from biomedical engineering to psychology. Collaboration between these fields is vital, however these fields should be involved only as much as they are needed to be in the fields of expertise of the others.Several software frameworks exist for the creation of robotics applications. But currently there is no standard for the creation of mechatronics systems nor is there a complete software package that can deal with all aspects in the programming of such systems. Existing frameworks each have their advantages and disadvantages, however they generally have limited or no dedicated structure for the development of the motion control aspect of the problem and deal extensively with the robot-environment interactions and inter mechanism communications. Dealing with the higher levels of the problem, they are usually not well suited for hard realtime; since the interactions can run on soft realtime constraints.The software framework proposed in this study aims to achieve a level of abstraction between the different domains utilized within a system.The aim in using the framework is to achieve a sustainable software structure for the system. Sustainability is an important part of systems, as it permits a system to evolve with changing requirements and variable hardware, with the ultimate goal of having robust software that can be utilized on different platforms and with other systems using an abstraction layer between the hardware and the software. This ensures that the system can be migrated from a processing platform to any other platform and also from one set of hardware to another.The framework was tested on several systems that have precision motion control requirements such as a 10 degree of freedom micro assembly workstation, a modular micro factory and a haptic system with time delay. Each of the systems works in different processing platforms and have different motion control requirements. The achieved results from the implementations show that the software framework is an important tool for the development of motion control software.