Diseño y desarrollo de un módulo de conexión a CANopen de un sensor comercial fuerza/par

Autor: Alberto López Esteban

Tutor: Alberto Jardón Huete Director: Juan Carlos González Víctores Universidad Carlos III de Madrid

Diseño y desarrollo de un módulo de conexión a CANopen de un sensor comercial fuerza/par

 INTRODUCCIÓN

 OBJETIVOS  ESTADO DEL ARTE  DESCRIPCIÓN DEL DISEÑO  ENSAYOS Y RESULTADOS

 CONCLUSIONES

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

•

Robótica asistencial

•

Mejora en la calidad de vida

•

ASIBOT

•

Sensorización externa

•

Ampliar rango de operaciones

•

Mejorar aplicaciones

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

ASIBOT

ASIBOT • Escalador • 5 grados de libertad

• Simétrico • Dispositivos de anclaje, “Docking Stations”

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

DISEÑAR E IMPLEMENTAR EL MÓDULO DE CONTROL •

Estudiar el sensor : características y comportamiento

•

Diseñar el módulo a nivel hardware

•

Diseñar e implementar el algoritmo para poder interactuar con el sensor y la captación de datos

•

Diseñar e implementar el algoritmo para poder enviar los

datos a través del puerto CAN

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

Control de fuerza en robótica •

Control pasivo de fuerza. No se necesita conocer la fuerza de contacto. Implica conocimiento de todo el entorno de

trabajo del robot. •

Control activo de fuerza. Controlar las fuerzas de contacto para que asuman un valor determinado u obedezcan un

determinado perfil.

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

Control explícito de fuerza •

Control explicito directo

•

Control explicito indirecto. Adición de rigidez a la planta

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Modelo

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

50M31A-I25 de JR3®

Gamma SI-65-5 de ATI®

FS6 de AMSI®

Peso[g]

140

254

100

Montaje en superficie

Sí

Sí

No

Consumo[mA]

250

400

150

Tipo de salida

Digital

Digital

Analógica

Capacidad de carga Fx, Fy,Fz[N]

100/200

65/200

220/440

Capacidad de carga Mx, My,Mz[N]

5/5

5/5

11/6

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

•

CAN : Controller Area Network

•

Topología bus para la transmisión de mensajes en entornos distribuidos

•

Modelo productor/consumidor, maestro/esclavo

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

Arquitectura del protocolo CAN •

Capa física : Medio físico, sincronización

•

Capa de enlace de datos: Método de acceso, tipo de tramas

•

Capa de aplicación (CAL): Implementada con protocolo CANopen. Basado en diccionario de objetos.

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

Modelo de comunicaciones Comunicación

Tipos de objetos:

Diccionario de objetos

Máquina de estados

Aplicación

Objeto de aplicación

• De gestión, NMT

0x0000 0x0001

PDO1

• De servicio, SDO

. . .

PDO2 0xFFFF

Objeto de aplicación

• De proceso, PDO SDO

• De sincronización, SYNC SYNC

CAN-BUS

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Objeto de aplicación

Objeto de aplicación

Proceso

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Control de fuerza en robótica Arquitectura de control de fuerzas Comparativa CAN-Bus CANopen

Gestión de la red (NMT) Entra en el estado INITIALISATION (1)

automáticamente. Entra en PRE-OPERATIONAL

(2)

automáticamente.

(3),(6)

Servicio Start_Remote_Node.

(4),(7)

Servicio Enter_PRE-OPERATIONAL.

(5),(8)

Servicio Stop_Remote_Node.

(9),(10), (11)

Servicio Reset_Node.

(12),(13 ),(14)

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Servicio Reset_Communication.

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Selección de componentes

Controladores serie

Controlador CAN CAN-BUS

SPI

Esquema inicial del diseño

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Sensor de fuerza/par

• Modelo 50M31A-I25 de JR3® • Electrónica interna • Resolución de 16 bits • Capacidad hasta 200 N de

fuerza y 5 Nm de par • Montaje en superficie

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Paquete de datos

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Microcontrolador 18F2580

• 4 Timers • Módulo de comunicaciones serie MSSP • Módulo de captura, CCP

• Módulo ECAN

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Transceiver MAX485

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Transceiver MCP2551

•

Half – duplex

•

Tasa de transferencia de 1Mbps

•

Trasmisión en modo diferencial

•

Implementa la capa física

•

Tasa de datos de hasta 2,5 Mbps

•

Tres modos de funcionamiento

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Circuito de programación Esquema de conexiones entre el depurador ICD2 y el PIC

Patillaje del conector ICD2

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Esquemático final

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Layout

PCB final

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Application Note 945 : Pila CANopen para microcontroladores PIC18 • Máquina de estados

• 1 SDO • Hasta 4 PDOs • Estructura para el diccionario de

objetos

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

Desarrollo de la aplicación AppJR3.c Funciones implementadas: • JR3Init

• JR3ProcessEvents • CO_COMMSyncEvent • AppLED

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Selección de componentes Diseño hardware Diseño software

JR3ProcessEvents Inicio

no ¿Es Fz? Configuración

si Almacenar dato capturado

Capturar DCLK

Start Pulse? si Leer puerto serie

no

Colocar dato en el buffer del TPDO

Comprobar modo de sincronismo

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Visualización fuerza/par Sistema CAN 1 Sistema CAN 2

Visualización de fuerza/par: Tarjeta PCI de JR3®

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Visualización fuerza/par Lectura CAN implementado en C Lectura CAN implementado en Simulink

Visualización de fuerza/par: Módulo diseñado ¿Es Fz?

no

si Almacenar dato capturado

no ¿Fz>0?

si LED VERDE ON

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LED VERDE OFF

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Visualización fuerza/par Lectura CAN implementado en C Lectura CAN implementado en Simulink

Lectura de datos recibidos por CAN-Bus implementado en C

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Visualización fuerza/par Lectura CAN implementado en C Lectura CAN implementado en Simulink

Lectura de datos recibidos por CAN-Bus implementado en SIMULINK®

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Conclusiones Futuros desarrollos

Conclusiones • Ligero y compacto • Elevada portabilidad y flexibilidad • Económico

• Programación ICSP • Integración en CAN-Bus

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Introducción Objetivos Estado del arte Descripción del diseño Ensayos y resultados Conclusiones

Conclusiones Futuros desarrollos

Futuros desarrollos • Implementación algoritmos de control de fuerza • Unidad central de mayores prestaciones, FPGA • Diseño SMD (soldadura en superficie)

• Implementar mayor número de PDOs

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