Firmware design for microcontrollers on EtherCAT network for quadruped robot motion control

Athiniotis, Stamatios; Αθηνιώτης, Σταμάτιος

dc.contributor.author	Athiniotis, Stamatios	en
dc.contributor.author	Αθηνιώτης, Σταμάτιος	el
dc.date.accessioned	2018-09-25T09:16:18Z
dc.date.available	2018-09-25T09:16:18Z
dc.date.issued	2018-09-25
dc.identifier.uri	https://dspace.lib.ntua.gr/xmlui/handle/123456789/47669
dc.identifier.uri	http://dx.doi.org/10.26240/heal.ntua.15750
dc.rights	Αναφορά Δημιουργού-Μη Εμπορική Χρήση-Όχι Παράγωγα Έργα 3.0 Ελλάδα	*
dc.rights.uri	http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/3.0/gr/	*
dc.subject	Ρομποτική	el
dc.subject	Αυτόματος έλεγχος	el
dc.subject	Δίκτυα	el
dc.subject	EtherCAT	en
dc.subject	Robotics	en
dc.subject	Control systems	en
dc.subject	Networks	en
dc.subject	Τετράποδα ρομπότ	el
dc.subject	Quadruped robots	en
dc.subject	Ρομπότ με πόδια	el
dc.subject	Legged robots	en
dc.title	Firmware design for microcontrollers on EtherCAT network for quadruped robot motion control	en
dc.title	Προγραμματισμός μικροελεγκτών σε δίκτυο EtherCAT για έλεγχο κίνησης τετράποδου ρομπότ	el
heal.type	bachelorThesis
heal.classification	Automatic control	en
heal.classification	Robotics	el
heal.classificationURI	http://data.seab.gr/concepts/989f7eb5ce955dbf96b4eebf1ff0aaec33f7e858
heal.language	en
heal.access	free
heal.recordProvider	ntua	el
heal.publicationDate	2018-07-12
heal.abstract	Modern motion control requires large data and resources from different devices, sensors and libraries, which must be recognizable and within reach, to be viable. EtherCAT is the fastest industrial Ethernet technology setting new standards for real-time performance and topology flexibility. When using an EtherCAT infrastructure for motion control, all hardware accessories and necessary motors - cables are easily connected to the system with minimum wiring compared to traditional methods. Thus, reducing clutter within the working area, the possibility of an accident that may be caused by loose cables and other loose fittings within the room decreases, making motion control far more manageable. Motion control solutions based on the EtherCAT framework are purpose-built for enhanced performance and come with immense advantages since machine automation becomes more cost effective with much better turn-around times and outputs. In this thesis, the development of an EtherCAT network of microcontrollers is introduced, describing the configuration process of a slave and all the implementation prerequisites. For the purpose of implementing EtherCAT technology, TwinCAT XAE (Visual Studio) is exploited to realize the master node in a Windows Operating System (OS). On the other hand, to materialize the slave nodes of the network, the LaunchXL – F28379D launchpad by Texas Instruments is used as the host Micro Controller Unit (MCU) along with FB1111-0141 by Beckhoff as the EtherCAT Slave Controller (ESC). The provided software (available for download) which is thoroughly explained within the second chapter, is fully operational and contains all required EtherCAT stack to implement an analogous network. It is assembled in such a way that no specific User Application is coded, therefore users may define the functionality of each node according to their needs. Subsequently, in the third chapter, the motion control via EtherCAT of Laelaps II quadruped robot is explained along with a description of its leg architecture and electrical system details. Each slave connected to the robot’s network (EtherCAT Control Tower Assembly) controls the motion of one leg, including the hip and knee motors, using elliptical shaped trajectories for its End Effector. Furthermore, the TwinCAT Scope View Tool is adumbrated enabling the data logging of EtherCAT variables for their post processing in Matlab. Finally, in the fourth chapter, the experimental validation of the exploited decentralized control theory of Laelaps II is appended, illustrating the response of all four legs in a fundamental test. The experimental process is described and a table containing all used parameters is provided before presenting the resulting figures of each joint. The overall procedure proves that the running stack is judiciously assembled, fully functional and prudent to be tested in higher velocities of the robot in the future.	en
heal.abstract	Ο σύγχρονος έλεγχος κίνησης απαιτεί μεγάλα δεδομένα και πόρους από διαφορετικές συσκευές, αισθητήρες και βιβλιοθήκες, οι οποίοι πρέπει να είναι αναγνωρίσιμοι και διαθέσιμοι προκειμένου να είναι βιώσιμοι. Το EtherCAT είναι η ταχύτερη βιομηχανική τεχνολογία Ethernet που θέτει νέα πρότυπα για την επικοινωνία σε πραγματικό χρόνο και την ευελιξία της τοπολογίας. Όταν χρησιμοποιείται το EtherCAT για έλεγχο κίνησης, όλα τα εξαρτήματα υλικού και οι απαραίτητοι κινητήρες - καλώδια συνδέονται εύκολα στο σύστημα με ελάχιστη καλωδίωση σε σύγκριση με τις παραδοσιακές μεθόδους. Έτσι μειώνοντας την ακαταστασία μέσα στην περιοχή εργασίας, μειώνεται η πιθανότητα ενός ατυχήματος που μπορεί να προκληθεί από χαλαρά καλώδια και άλλα χαλαρά εξαρτήματα μέσα στο χώρο εργασίας, κάνοντας τον έλεγχο κίνησης πολύ πιο εύχρηστο και διαχειρίσιμο. Οι λύσεις ελέγχου κινήσεων βασισμένες στο πλαίσιο EtherCAT είναι κατασκευασμένες με σκοπό τη βελτίωση της απόδοσης και διαθέτουν τεράστια πλεονεκτήματα, καθώς η αυτοματοποίηση του συστήματος καθίσταται πιο αποδοτική από πλευράς κόστους με πολύ καλύτερους χρόνους εκτέλεσης. Στην παρούσα εργασία παρουσιάζεται η ανάπτυξη ενός δικτύου EtherCAT από μικροελεγκτές, περιγράφοντας τη διαδικασία διαμόρφωσης ενός slave και όλες τις προϋποθέσεις υλοποίησης. Για την πραγμάτωση της τεχνολογίας EtherCAT, το πρόγραμμα TwinCAT XAE (Visual Studio) χρησιμοποιείται για την υλοποίηση του master κόμβου σε λειτουργικό σύστημα Windows (OS). Από την άλλη πλευρά, για την υλοποίηση των slave κόμβων του δικτύου, η πλακέτα LaunchXL-F28379D από την Texas Instruments χρησιμοποιείται ως o μικροελεγκτής που «φιλοξενεί» το σύστημα, μαζί με το FB1111-0141 από την Beckhoff που διαδραματίζει το ρόλο του EtherCAT Slave Controller (ESC). Το προσφερόμενο λογισμικό, το οποίο αναλύεται διεξοδικά στο δεύτερο κεφάλαιο της εργασίας, είναι πλήρως λειτουργικό και περιέχει όλον τον απαραίτητο EtherCAT κώδικα για την υλοποίηση ενός ανάλογου δικτύου. Έχει προγραμματιστεί με τέτοιο τρόπο ώστε οι χρήστες να μπορούν να ορίζουν τη λειτουργία του κάθε κόμβου slave ανάλογα με τις ανάγκες τους. Στο τρίτο κεφάλαιο, επεξηγείται ο έλεγχος κίνησης μέσω του EtherCAT του τετράποδου ρομπότ Laelaps II, μαζί με μια περιγραφή της αρχιτεκτονικής του ποδιού και των λεπτομερειών του ηλεκτρικού συστήματος. Κάθε κόμβος slave που συνδέεται με το δίκτυο του ρομπότ (EtherCAT Control Tower Assembly) ελέγχει την κίνηση ενός ποδιού, συμπεριλαμβανομένων των κινητήρων ισχίου και γονάτου, χρησιμοποιώντας ελλειπτικά διαμορφωμένες τροχιές για το πέλμα του (ΤΣΔ). Επιπλέον, περιγράφεται το εργαλείο TwinCAT Scope View που επιτρέπει την καταγραφή και αποθήκευση των μεταβλητών EtherCAT για την μεταγενέστερη επεξεργασία τους στη Matlab. Τέλος, στο τέταρτο κεφάλαιο παρουσιάζεται η πειραματική επικύρωση της θεωρίας αποκεντρωμένου ελέγχου του Laelaps II, που απεικονίζει την απόκριση και των τεσσάρων ποδιών σε ένα θεμελιώδες πείραμα. Η πειραματική διαδικασία περιγράφεται και παρέχεται ένας πίνακας που περιέχει όλες τις χρησιμοποιούμενες παραμέτρους του πειράματος πριν παρουσιάστουν οι αποκρίσεις των αρθρώσεων. Η συνολική διαδικασία αποδεικνύει ότι ο χρησιμοποιούμενος κώδικας είναι εύστοχα προγραμματισμένος, πλήρως λειτουργικός και ικανός για να δοκιμαστεί σε υψηλότερες ταχύτητες του ρομπότ στο μέλλον.	el
heal.advisorName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Παπαδόπουλος, Ευάγγελος	el
heal.committeeMemberName	Κυριακόπουλος, Κωνσταντίνος	el
heal.committeeMemberName	Αντωνιάδης, Ιωάννης	el
heal.academicPublisher	Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο. Σχολή Μηχανολόγων Μηχανικών. Τομέας Μηχανολογικών Κατασκευών και Αυτομάτου Ελέγχου. Εργαστήριο Αυτομάτου Ελέγχου και Ρυθμίσεως Μηχανών και Εγκαταστάσεων	el
heal.academicPublisherID	ntua
heal.numberOfPages	147 σ.
heal.fullTextAvailability	true