Robot kinematik denklemlerinin FPGA ile çözülmesi ve çok eklemli bir robota uygulanması

Abstract

Kinematik hesaplar, karmaşık olması nedeniyle, uzun zaman almakta ve çok eklemli yapıların gerçek zamanlı hareket kontrollerinde tek işlemci ile istenen doğrulukta, hassasiyette ve sıklıkta sonuç almak zor olmaktadır. Özellikle serbestlik derecesinin artmasıyla birlikte ayrı bir hesaplama birimi kaçınılmazdır. Bununla birlikte, birbirinden bağımsız çok sayıdaki hareket elemanının kapalı çevrim kontrolleri merkezi işlem birimine ek yükler getirmektedir. Ayrıca, çok sayıdaki bu birimler için kullanılan kablolama, tasarlanan fiziksel yapıyı karmaşık hale getirmektedir. Bu çalışmada bu problemlere çözüm getirecek bir donanım tasarımı, çok yüksek hızlı entegre devre tanımlama dili (VHDL) ve alanda programlanabilir kapı dizileri (FPGA) kullanılarak gerçekleştirilmiştir. Altı bacaklı bir robot için tasarlanan bu donanım, teknolojideki eğilimlere paralel olarak yaygınlaşan, seri arabirimden kontrol edilebilen servo motorlar ile çalışmaktadır. Seri arabirimden aldığı ayak pozisyonları için gerekli eklem açılarını hesaplayıp, bunları yine seri arabirimden servo motorlara göndermektedir. Bu donanım kinematik denklemlerin çözümü için bir yardımcı işlemci içermekte ve elektromekanik karmaşayı azaltacak donanımlar ile kullanılabilmektedir. Bu donanımın robotlar için tasarımdan uygulamaya geçişi hızlandıracak bir araç olarak kullanılması öngörülmektedir. Donanımın uygulanması için altı bacaklı bir robot ve yürüme algoritması geliştirilmiş ve başarı ile uygulanmıştır. Robot üzerinde çeşitli mesafe sensörleri ve ayaklarında zemini algılayabilmesi için temas sensörleri bulunmaktadır. Ayrıca uzak bilgisayar ile veri alış verişi yapabilmesi için bir radyo modülüne sahiptir. Uzak bilgisayardan yön komutları almakta ve bilgisayara sensör bilgilerini göndermektedir. Tüm bu donanımı yönlendirmek ve robot üzerindeki sensörlerden alınan verileri yorumlamak için bir bilgisayar arayüzü tasarlanmıştır.

As kinematic calculations are complicated, it takes a long time and is difficult to get the desired accurate result with a single processor in real-time motion control of multi-degree-of-freedom (MDOF) systems. Another calculation unit is needed, especially with the increase in the degree of freedom. The main Central Processing Unit (CPU) has additional loads because of numerous motion elements which move independently from each other and their closed-loop controls. Designed systems are also complicated because they have many parts and cabling. This paper presents the design and implementation of a hardware that will provide solutions to these problems. It is realized using the Very High Speed Integrated Circuit Hardware Description Language (VHDL) and Field-Programmable Gate Array (FPGA). This hardware is designed for a six-legged robot and has been working with servo motors controlled via the serial port. The hardware on FPGA calculates the required joint angles for the feet positions received from serial port and sent the calculated angels to the servo motors via the serial port. This hardware has a co-processor for the calculation of kinematic equations and can be used together with the equipment that would reduce the electromechanical mess. It is intended to be used as a tool which will accelerate the transition from design to application for robots.A six legged robot and a walking algorithm was developed for experimental study and taken good results. The robot has some distance sensors on the body and touch sensors on the feet. It has also a radio module for communication with a personal computer. The robot can take command for guidance from the computer and send sensor information to the computer. A computer interface was designed to control the robot and displaying the sensor information.