Προγραμματισμός πραγματικού χρόνου τετράποδου ρομπότ σε δίκτυο EtherCAT μέσω ROS - Real-time programming of EtherCAT master in ROS for a quadruped robot

Abstract

Η πρόοδος σε τεχνολογίες fieldbus, σε συστήματα πραγματικού χρόνου και προγραμματιστικά πλαίσια ρομποτικής, υπόσχονται ριζικό μετασχηματισμό των πεδίων της βιομηχανικής αυτοματοποίησης και της ρομποτικής. Δεδομένου ότι οι διεργασίες στη βιομηχανική ρομποτική υπόκεινται συνήθως χρονικούς περιορισμούς, η χρήση συστημάτων πραγματικού χρόνου προσπαθεί να αξιοποιήσει την απόδοση και την ασφάλεια σε αυτά τα πολύ απαιτητικά και κρίσιμα για την ασφάλεια περιβάλλοντα. Στις τεχνολογίες fieldbus, το πρωτόκολλο EtherCAT ξεχωρίζει για τα πολυάριθμα πλεονεκτήματα που προσφέρει για hard και soft συστήματα πραγματικού χρόνου, μεταξύ των οποίων και σύντομα χρονοδιαγράμματα ενημέρωσης δεδομένων, χαμηλή μεταβλητότητα στην ποιότητα της επικοινωνίας και μειωμένο κόστος εξοπλισμού. Μεταξύ των ρομποτικών πλαισίων, το λειτουργικό σύστημα για ρομπότ (ROS) ξεχωρίζει για την υψηλή προσαρμογή του, την επέκταση του, τη διαμόρφωση του, την ευκολία εκμάθησης του και τη δημοτικότητα του στην κοινότητα ρομποτικής. Το έργο στο πλαίσιο αυτής της διπλωματικής εργασίας στοχεύει στο σχεδιασμό και την ανάπτυξη μιας εφαρμογής λογισμικού, η οποία θα εξασφαλίζει συγχρονισμένη κίνηση των ποδιών ενός τετράποδου ρομπότ που ονομάζεται Laelaps II, που δημιουργήθηκε και αναπτύχθηκε στο εργαστήριο CSL-EP στο Εθνικό Μετσόβιο Πολυτεχνείο (ΕΜΠ). Συγκεκριμένα, οι κύριοι στόχοι του έργου είναι: (α) Δημιουργία ενός λειτουργικού συστήματος πραγματικού χρόνου (\acrshort{rtos}), με τροποποίηση και διαμόρφωση ενός λειτουργικού συστήματος (OS) βασισμένου στο GNU / Linux, με στόχο την κάλυψη των σκληρών περιορισμών πραγματικού χρόνου που επιβάλλει η συγχρονισμένη κίνηση του Laelaps II. (β) Χρήση ενός EtherCAT Master που ονομάζεται EtherLab, στo προαναφερθέν \acrshort{rtos}, για τον έλεγχο του δικτύου που αποτελείται από EtherCAT slaves, που είναι τοποθετημένοι σε κάθε πόδι του ρομπότ και τα ελέγχουν. (γ) Ανάπτυξη μιας Διεπαφής Προγραμματισμού Εφαρμογών ROS (\acrshort{api}) για τη διευκόλυνση της επέκτασης, της χρηστικότητας και της διαλειτουργικότητας με το τρέχον και μελλοντικό λογισμικό που πρόκειται να γραφτεί ή είναι ήδη γραμμένο στο περιβάλλον ROS. Η υλοποίηση του έργου, μέσω του συνδυασμού αυτών των στόχων, αξιολογήθηκε με δοκιμή της ικανότητας βάδισης του Laelaps II. Τα αποτελέσματα δείχνουν ότι τα πειράματα βάδισης ήταν επιτυχημένα και το συνολικό έργο θα μπορούσε να ικανοποιήσει τις απαιτήσεις για ένα βιομηχανικό τετράποδο ρομπότ όπως το Laelaps II. Τέλος, προτείνονται προτάσεις για βελτιώσεις όσον αφορά την προσέγγιση του σχεδίου και κατευθύνσεις για περαιτέρω διερεύνηση του θέματος.