FPGA based hardware accelerator for parallel robot kinematic calculations

• Autorzy: Karpiel G. , Gac K. , Petko M.

Warianty tytułu

PL

Sprzętowy akcelerator do wspomagania obliczeń kinematycznych robota równoległego oparty na układzie FPGA

• Języki publikacji: EN

Abstrakty

EN

This paper presents an application of FPGA to support the calculation of the inverse kinematics problem of a parallel robot. The presented robot is designed for milling by moving the spindle along a desired trajectory generated in Cartesian space. This means that for each point of the trajectory solution of the inverse kinematics problem is needed. The resulting sequence of data creates the joint space trajectory. The trajectory in joint space must be calculated in real time. Required high frequency and complex equations makes the problem of the calculation time crucial. The paper shows how to increase the computing power for inverse kinematics problem solving, preserving required calculation accuracy, by augmenting the arithmetic coprocessor with custom instructions. The paper shows hardware implementation of the accelerator and presents results of calculations performed on Altera FPGA chip.

PL

W artykule przedstawiono wykorzystanie układu FPGA do wspomagania obliczeń zadania odwrotnego kinematyki robota równoległego. Zaprezentowany robot przeznaczony jest do frezowania przez prowadzenie wrzeciona wzdłuż zadanej trajektorii generowanej w przestrzeni kartezjańskiej. Oznacza to, że dla każdego punktu trajektorii należy rozwiązać zadanie odwrotne kinematyki. Uzyskany ciąg danych tworzy trajektorię w przestrzeni złączowej. Trajektorię w przestrzeni złączowej należy obliczać w czasie rzeczywistym, co przy dużej częstotliwości i złożonych równaniach powoduje, że problem czasu obliczeń staje się istotny. W artykule pokazano, jak za pomocą rozbudowy koprocesora arytmetycznego o własne instrukcje można zwiększyć moc obliczeniową do rozwiązania zadania odwrotnego kinematyki, utrzymując zadaną dokładność obliczeń. Pokazano opracowaną implementację akceleratora obliczeń oraz przedstawiono wyniki otrzymane na układzie firmy Altera.

Słowa kluczowe

EN

parallel robots; inverse kinematics problem; implementation of algorithms; FPGA

PL

roboty równoległe; zadanie odwrotne kinematyki; implementacja algorytmów; układy FPGA

• Wydawca: Wydawnictwa AGH
• Czasopismo: Automatyka / Automatics
• Rocznik: 2013
• Tom: Vol. 17, no. 2
• Strony: 187--196
• Opis fizyczny: Bibliogr. 10 poz., rys., tab.

Twórcy

autor

Karpiel G.

• AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

autor

Gac K.

• AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

autor

Petko M.

• AGH University of Science and Technology, Krakow, Poland

Bibliografia

• [1] Gogu G., Structural Synthesis of Parallel Robots. Part I. Springer, 2008, ISBN 978-1-4020-5102-9.
• [2] Petko M., Wybrane metody projektowania mechatronicznego. AGH, Kraków-Radom, 2008, ISBN 978-83-7204-709-0.
• [3] Karpiel G., Petko M., Uhl T., Manipulator równoległy trzyramienny. PL203631Bl(B25J18/00).
• [4] Karpiel G., Zastosowanie podejścia mechatronicznego w projektowaniu robotów równoległych. Ph.D. Thesis, AGH, 2007.
• [5] Prusak D., Petko M., Karpiel G., Manipulator trzyramienny o prostym modelu geometrycznym. PL210002(B25J18/04;B25J9/06).
• [6] Sanchez D., Mimoz D., Llanos С, Motta J., A Reconfigurable System Approach to the Direct Kinematics of a 5 D.o.f RoboticManipulator. International Journal of Reconfigurable Computing 2010, ArticlelD 727909.
• [7] Karpiel G., Prusak D., System sterowania robotem równoległym oparty na układzie FPGA. in: Projektowanie, analiza i implementacja systemów czasu rzeczywistego, Warszawa, Wydawnictwa Komunikacji i Łączności, 2011, ISBN: 878-83-206-1822-8.
• [8] http://www.altera.com/, 2012-04-25.
• [9] http://www.terasic.com.tw/ 2012-04-25.
• [10] Piromsopa K., Aporntewan C, Chongsatitvatana P., An FPGA implementation of a fixed-point square root operation. http://pioneer.netserv.chula.ac.th/~achatcha/Publications/0012.pd, 2012 04-25f.