ARTICLEInternational Journal of Advanced Robotic SystemsIntuitive Embedded Teaching SystemDesign for Multi-Jointed RobotsR...
Generally, the dealing robot platform uses the same robot            force  of  each  joint  is  large  enough  to  keep  ...
The mode indicator displays the operational mode, which                The  dsPIC,  a  microcontroller  produced  by  Micr...
The  control  kernel  dsPIC3010  has  built‐in  10‐bit  high‐                                              Read Start     ...
4. Experimental results and discussion 4.1 Experimental setup Figure  12  shows  the  schematic  diagram  the  proposed   ...
                                                                                                              (a)         ...
5. Conclusion                                                           [5] Kenji  KANEKO,  Kensuke  HARADA,  Fumio       ...
Upcoming SlideShare
Loading in …5

In tech intuitive-embedded_teaching_system_design_for_multi_jointed_robots


Published on

  • Be the first to comment

  • Be the first to like this

No Downloads
Total views
On SlideShare
From Embeds
Number of Embeds
Embeds 0
No embeds

No notes for slide

In tech intuitive-embedded_teaching_system_design_for_multi_jointed_robots

  1. 1. ARTICLEInternational Journal of Advanced Robotic SystemsIntuitive Embedded Teaching SystemDesign for Multi-Jointed RobotsRegular PaperChin-Pao Hung* and Wei-Ging Liu Department of Electrical Engineering, National Chin-Yi University of Technology, Taiwan, R.O.C.* Corresponding author E-mail: Received 03 Mar 2012; Accepted 19 Apr 2012DOI: 10.5772/46126© 2012 Hung and Liu; licensee InTech. This is an open access article distributed under the terms of the CreativeCommons Attribution License (, which permits unrestricted use,distribution, and reproduction in any medium, provided the original work is properly cited.Abstract This work describes the development of a novel  1. Introduction  embedded  teaching  system  for  multi‐jointed  robots.   Differing from the traditional teaching panel method, the  Many robots exist, including robots with jointed arms [1,2], proposed  method  does  not  require  any  complex  mobile  robots  for  special  functions  [3],  humanoid  robots computations  for  coordinate  transformation  and  is  a  [4,5]  and  robot  toys  [6‐8].  Robotic  technology  has  become simpler scheme. The proposed teaching system includes a  an  increasingly  important  research  topic.  Many  new small  teaching  robot,  which  is  scaled  to  the  real  jointed  applications  have  been  developed,  such  as  service  robots robot,  however,  joints  are  replaced  with  potentiometers.  that  can  sing,  dance,  cook  and  play  piano.  Among  the An embedded electrical control system contains the main  many  applications,  trajectory  planning  and  teaching  play control  board  and  joint  control  cards.  The  main  control  very  important  roles.  Indeed,  complex  computations  for board  receives  voltage  signals  from  the  teaching  robot  coordinate  transformation  are  needed  to  achieve  precise and  transforms  them  into  position  commands  for  the  trajectory planning. Although robot manufacturers supply motion  of  each  joint.  All  the  position  commands  are  teaching  programs  for  planning,  the  trajectories  use recorded  on  the  main  control  board  using  the  desired  teaching  panels  [9]  or  joysticks  [10].  With  these  methods, sample  rate.  In  trajectory  planning  mode,  the  operator  the  user  moves  the  robot  manually  through  the  space  by drags  the  teaching  robot  to  generate  the  desired  motion.  operating the  manual box  (teaching  panel)  and a series of The electrical control system drives the real jointed robot  processes  are  required  [11].  The  user  must  have  sufficient in  response  to  the  received  voltage  signals  from  the  training,  otherwise,  it  is  difficult  to  complete  the  teaching teaching robot. Trajectory teaching can be done naturally  task. These teaching methods are not sufficiently intuitive; without  expertise.  The  teaching  system  architecture,  that  is,  intuitive  teaching  schemes  are  required  for control  board  design  and  program  flowchart  are  industrial  application.  Notably,  many  robot  applications described and implemented.  do not require highly precise motion control. For example,   an  intuitive  robot  teaching  system  is  needed  for  such Keywords teaching robot, PIC, embedded system, jointed  applications as robotic baccarat dealers.  robot, robotics. Int J Adv Chin-Pao Hung and Wei-Ging Liu: Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 34:2012 1 Intuitive Embedded Teaching System Design for Multi-Jointed Robots
  2. 2. Generally, the dealing robot platform uses the same robot  force  of  each  joint  is  large  enough  to  keep  the  teaching  type  as  the  semiconductor  industry,  most  of  which  are  robot in the desired position. Compared  to a real jointed  jointed robots. By rotating its waist, shoulder, elbow and  robot,  the  teaching  robot  is  moved  easily  by  dragging.  wrist, this robot achieves dexterous motion. Because each  Analogue teaching commands are transferred via voltage  joint  has  a  high  gear  ratio  design,  the  teaching  motion  changes  from  the  potentiometers  at  each  joint  and  drive  trajectory  by  dragging  a  real  jointed  robot  is  difficult.  the motion of the real robot’s joints.   Using a teaching panel or space coordinate input to plan  the  motion  trajectory  is  the  most  popular  teaching  2.2 Electrical control system design   method [12], however, these methods are not sufficiently    intuitive;  that  is,  an  operator  must  have  some  The  design  of  the  electrical  control  system  for  the  professional knowledge. Developing an intuitive teaching  proposed teaching  system consists  mainly  of  a  DC  servo  system  that  benefits  trajectory  planning  of  jointed  robots  control  card,  a  control  motherboard,  a  teaching  program  is the primary goal of this work.  design and a control program for each servo control card.      2. Architecture of the proposed jointed   2.2.1 DC servo control card design  robot teaching system      To  preserve  extension  flexibility,  each  joint  is  driven  by  2.1 Teaching robot design  one servo control card. Each servo control card receives a    pulse‐width  command  to  complete  the  position  loop  Figure  1  shows  a  schematic  diagram  of  a  real  jointed  control, as does a radio control (RC) servo motor [13]. The  robot. As described, each joint has a high gear ratio and is  pulse width is proportional to the rotation angle and the  difficult  to  move  by  dragging.  Therefore,  this  work  ratio  is  adjustable  depending  on  each  joint’s  rotation  designed  a  smaller  teaching  robot  in  scale  to  the  real  range.  Also,  a  tuned  proportional–integral–derivative  robot, with each joint replaced by a potentiometer. Figure  (PID)  controller  is  implemented  in  the  position  loop  to  2 shows the schematic diagram of the teaching robot. All  guarantee  that  the  system  has  acceptable  steady  state  components  of  the  teaching  robot  are  made  of  light‐ error.  Figure  3  shows  a  functional  block  diagram  of  the  weight materials, such as acrylic or wood, and the friction   joint  control  card  is  shown  as  Fig.  3.  The  necessary    peripheral interfaces, the control kernel, power MOSFET,  current  sensor  and  encoder  counting  circuit  are  integrated into the servo control card.    D PO ER C W M RCN O IC O O TR LER PO ERM SFET W O 2 4 6 1 3 Pulse width O TPU U T com and m CN O R O TR LLE P M W LO KO T C U D IV R R E DC C C IT IR U M TO O R 8 7 CRET URN S 5S R A/D E O N 11 9 10 PH SEA A C U TE ON R D E TIO IR C N PO H TO C C IT IR U C C IT IR U PH SEB A ECDR NOE   Figure 3. Schematic diagram of the dc servo control card       Figure 1. Schematic diagram of real jointed robot   2.2.2 Mother control board design       When  in  teaching  mode,  the  control  motherboard  receives voltage signals from the teaching robot and then  sends  the  related  trajectory  command  to  the  DC  servo  control  card.  The  real  robot  and  teaching  robot  execute  nearly the same motion. The operator moves the teaching  robot  and  observes  the  real  robot’s  motion  to  decide  whether  to  continue  dragging  the  teaching  robot.  All  trajectory commands are recorded in memory and can be  recalled  to  repeat  a  teaching  action.  Figure  4  shows  the    functional block diagram of the control motherboard.   Figure 2. Schematic diagram of teaching robot 2 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 34:2012
  3. 3. The mode indicator displays the operational mode, which  The  dsPIC,  a  microcontroller  produced  by  Microchip includes  a  follow  mode,  demo  mode  and  teaching  mode.  Company,  sends  out  the  pulse‐width  command  and  the This  work  focuses  on  teaching  mode.  A  7‐segment  switch signals control the pulse‐width command, leading displayer shows the run time, indicating execution time for  it to the desired channel. a  teaching  cycle.  The  pulse‐width  command  block  sends   the PWM signals to the DC servo control card in sequence.   Pulse width command Dc servo card 1The  kernel  of  the  control  motherboard  is  dsPIC30F6014A [14].  Other  functions  occur,  including  writing  teaching  Dc servo card 2signals  to  the  extension  memory  25AA1024  [15],  reading  Switch signals Dc servo card 3the  potentiometer  signals  and  transforming  them  into positional commands, detecting the push buttons to switch  Dc servo card 4operational  modes,  receiving  feedback  signals  coming  Dc servo card 5from  the  DC  servo  control  card  in  response  to  related     actions,  such  as  home  position  operation  and  deciding  Figure  5.  Schematic  diagram  of  the  pulse  width  command whether  the  position  loop  control  is  finished.  The  major  generation functional blocks are described as follows:     2.2.4 EEPROM memory expansion  Pulse width   Mode Indicator 7-segment display command to servo control card To record teaching signals in real time, a serial peripheral  interface  (SPI)  bus  serial  EEPROM  25AA1024  is  used.  This  chip  is  accessed  via  a  simple  serial  peripheral  interface‐compatible  serial  bus  with  20  MHz  as  its  Potentiometer EEPROM CPU signals come from maximum clock speed. Figure 7 shows its interface circuit.  (25AA1024) dsPIC30F6014A teaching robot Based  on  the  serial  input/output  timing  of  the  datasheet  and  formatted  instruction  set,  the  control  kernel,  dsPIC30F6014A, can write data in, or read data out of, the  memory chip.  Feedback signals Push button come from servo   control card  Figure 4. Schematic diagram of the mother control board 2.2.3 Pulse‐width command to the DC servo control card A  novel  five‐joint  robot  teaching  system  was  developed. Each  joint  is  controlled  by  a  DC  servo  control  card.  As described,  the  servo  card  receives  the  pulse‐width command. For more axes joint robot systems, generating synchronous  PWM  signals  [13]  generates  smoother   motion,  but  has  higher  start  current  from  the  power  Figure 7. Memory expansion circuit supply.  To  reduce  the  normal  rated  power,  the   motherboard sends a sequential pulse‐width command to  2.2.5 Potentiometer signals measurements the DC servo control cards. Figure 5 shows the sequential   pulse‐width  commands  and  Fig.  6  shows  the  schematic  5V dsPIC 3010diagram of the pulse‐width command generation.  A N0  5V A N1 5V A N2 5V A/D A N3 5V A N4    Figure 5. Sequential pulse width command  Figure 8. Schematic diagram of potentiometer signals measurements Chin-Pao Hung and Wei-Ging Liu: 3 Intuitive Embedded Teaching System Design for Multi-Jointed Robots
  4. 4. The  control  kernel  dsPIC3010  has  built‐in  10‐bit  high‐ Read Start Write Start speed analogue to digital (A/D) channels and easily reads  the voltage signals from the potentiometers circuit. Figure  Initialization Initialization 8  shows  the  schematic  diagram  of  potentiometer  signals  measurements circuit.  Set CS pin as HIGH Set CS pin as HIGH   3. Programming of the teaching system   CS pin High to Low CS pin High to Low   The program design includes two parts, the mother control  SCK send out a clock and SCK send out a clock and board program and the dc servo control card program.  SI send out one bit data SI send out one bit data   YES 3.1 Mother control board program  8 bit instruction NO 8 bit instruction NO   transmit finished? transmit finished? The  control  motherboard  has  three  operational  modes:  YES follow  mode,  demo  mode  and  teaching  mode.  In  follow  SCK send out a clock and SCK send out a clock and SI send out 24 bit address SI send out 24 bit address mode,  the  real  robot  mimics  the  motion  of  the  teaching  robot. Demo mode executes some special motions, such as  NO NO 24 bit address transmit 24 bit address transmit dealing. Figure 9 shows the flowchart of the teaching mode.  finished? finished?   YES YES Teaching signals coming from the potentiometers must be  SCK send out clock and SI recorded  in  the  non‐volatile  memory  25AA1024  in  real  SO pin read in 8-bit data send out 8-bit data time  (Fig.  9).  To  illustrate  the  read/write  timing  of  the  NO datasheet  [15],  Fig.  10  shows  the  read  and  write  8 bit data recesive 8 bit data transmit NO finished? finished? flowcharts.  Notably,  25AA1024  has  is  only  1  Mbits  of  YES YES memory.  Its  recordable  teaching  time  is  related  to  the  CS pin Low to High CS pin Low to High sampling  time.  Small  sample  times  will  generate  high     Teaching mode END END start   Figure 10. 25AA1024 EEPROM read/write flowchart    A/D initialization Buffer memory clear trajectory  resolution.  Each  sample  requires  10  bytes  of  EEPROM Stop A/D conversion memory  for  each  5  of  joint  movement.  Each  command  initialization occupies  2  bytes  of  memory  for  each  joint.  If  50ms  is  Set EEPROM as read only taken  as  sampling  time,  25AA1024  it  can  record  roughly  Buffer memory clear mode 625  seconds  of  path  planning;  longer  path  learning  is  easily completed by expanding the memory.    Read the A/D signals Read A/D signals and transform as pulse width command 3.2 Program design of the DC servo control card  transform A/D signals   as pulse width Send pulse width command The  DC  servo  control  card  receives  a  pulse‐width  command to each joint Send pulse width command and then executes the closed‐loop servo control  Record the A/D command to each joint (Fig.  3).  By  using  PIC18f8720  [16]  as  the  control  kernel  of  signals to EEPROM Display the running the  DC  servo  control  card,  PIC18f8720  needs  peripheral  Display the recorded time initialization,  including  interrupt  mode,  capture  mode,  time yes PWM  mode  and  the  necessary  input/output  (I/O)  pins.  yes Running cycle Figure  11  shows  the  program  flowchart  of  the  DC  servo  Memory full finished? no control  card.  After  initialization,  the  kernel  runs  the  main  no control  loop,  the  shaded  yellow  area  (Fig.  11).  The  main  yes Stop record and return to no control  loop  runs  with  1  ms  control  cycles  and  the  Run recorded command mode selection controller is PID type. Notably, the position loop control is  yes no similar to that of RC servo motor control. A special pulse‐ no width  command  corresponds  to  a  motor  position.  Each  Stop record and return to mode selection servo  control  card  receives  a  pulse‐width  command  and  yes calculates  the  pulse  width  via  the  capture  module,  and  then  completes  the  corresponding  position  loop  control.  Table  1  lists  the  relationship  between  the  pulse‐  width  Return to mode selection   range and joint position (Fig.1) of each joint. In this work,  Figure 9. Flowchart of teaching mode program  0° indicates that the robot remains in the home position.  4 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 34:2012
  5. 5. 4. Experimental results and discussion 4.1 Experimental setup Figure  12  shows  the  schematic  diagram  the  proposed  Real robotteaching  system,  integrating  the  motherboard,  DC  servo cards, teaching robot and real robot. Figure 13 shows the experimental system.   Interrupt Teaching Start start robot Servo Initialization Setup timer card Setup interrupt Clear Mother function interrupt board flag   Setup Timer/CCP Figure 13. Photo of developed teaching system  End   NO Pulse width command 4.2 Teaching mode operation input   YES NO Interrupt wait YES Read position feedback signal Error caculation Control signal caculation Soft saturation limitation Output control signal   YES Send OK signal to Figure 14. Schematic of teaching mode for jointed robot  Error is zero? mother control board   and setup interrupt flag No The  operator  drags  the  teaching  robot  to  teach/plan  the  Setup interrupt flag motion  of  the  real  robot.  When  the  operator  drags  robot  movements,  the  real  robot  follows  the  teaching  robot.    After observing the real robot’s movement, the trajectory Figure 11. Program flowchart of dc servo control card  teaching/plan  can  be  completed  intuitively,  almost   without professional knowledge.     To  demonstrate  the  feasibility  of  the  proposed  teaching  system,  a  five‐degree  freedom  jointed  robot  is  designed  as  a  dealing  robot.  The  teaching  and  repeating  process  video  can  be  downloaded  or  viewed  at  M her ot Figures  15  (a)~(h)  and  16  (a)~(h)  show  some  frames  in  boar d Teaching robot sequence; Fig. 15 shows the teaching process and Fig. 16  D ser vo c shows  the  repeating  process  after  the  teaching  mode  cont rol card operation.  ( 5 axes)   Real robot   All frames in Fig. 15 are captured from the teaching mode Figure 12. Schematic diagram of the developed teaching system  video.  The  operator  dragged  the  teaching  robot  to  deal. Chin-Pao Hung and Wei-Ging Liu: 5 Intuitive Embedded Teaching System Design for Multi-Jointed Robots
  6. 6.     (a)                                                 (b)  (a)                                                (b)      (c)                                                (d)  (c)                                                (d)      (e)                                                (f)  (e)                                                (f)      (g)                                                (h)  (g)                                                (h)  Figure 15. Teaching mode operation  Figure 16. Repeated operation after teaching mode      After  dealing  two  cards,  the  dealing  robot  repeated  the  be accurately recorded and repeated. Sharp‐eyed viewers  teaching action. The cycle times in the captured frames of  will identify some jiggling in the dealing video when the  the jointed robot’s actions are nearly identical to those in  end‐effector  approached  a  card.  Modifying  the  recorded  teaching mode (Fig. 16).  trajectory  using  a  filter  scheme  will  improve  smoothing    out of the motion.   4.3 Discussion        Notably,  although  the  developed  teaching  system  is  As  described,  the  proposed  teaching  system  can  record  applied  to  jointed  robots  which  belong  to  the  revolute  625s of trajectory planning using a 50ms sampling times.  coordinates type of robots, since the revolute coordinates  Therefore,  the  teaching  system  can  execute  complex  type  of  robots  is  the  most  complicated  system,  it  can  motion  teaching.  However,  this  system  is  unsuited  to  easily  be  applied  to  other  types  of  robots,  such  as  application  requiring  highly  precise  motion.  During  the  Cartesian  coordinates,  cylindrical  coordinates  and  teaching  process,  shaking  or  jiggling  by  an  operator  will  spherical coordinates types of robots.  6 Int J Adv Robotic Sy, 2012, Vol. 9, 34:2012
  7. 7. 5. Conclusion  [5] Kenji  KANEKO,  Kensuke  HARADA,  Fumio  KANEHIRO,  Go  MIYAMORI,  and  Kazuhiko A novel teaching system for jointed robot was developed  AKACHI,” Humanoid robot HRP‐3”, IEEE/RSJ Inter. in  this  work.  The  test  used  PIC  microcontroller  as  the  Conf.  on  Intelligent  Robots  and  Systems,  Nice, control kernel and integrated the peripheral interface, DC  France,2008. servo  control  cards,  control  motherboard,  teaching  robot  [6] M.  Friedrich, S.  Alexander  and  B.  Luc,  “Passive and the real jointed robot. On the teaching mode test, the  compliance  for  a  RC  servo‐controlled  bouncing experimental  results  demonstrate  the  feasibility  of  the  robot”, Advanced Robotics, vol. 20, no. 8, pp. 953‐961, proposed  teaching  system.  The  user  can  easily  achieve  2006. trajectory  planning  using  intuitive,  simple  and  low‐cost  [7] J. Yamaguchi, A. Takanishi, I. Kato, “Development of technology.  Improving  precise  motion  teaching  and  a  biped  walking  robot  compensating  for  three‐axis filtering technology to smooth the trajectory is a goal we  moment by trunk motion”, Proc. of IEEE International are currently pursuing.  Conference  on  Intelligent  Robots  and  Systems,  pp.561‐  566,1993. 6. Acknowledgments  [8] I.  Yamagucbi,  E.  Soga,  S.  Inoue,  A.  Takanishi,   “Development  of  a  bipedal  humanoid  robot  control The authors gratefully acknowledge the support of Chin‐ method  of  whole  body  cooperative  dynamic  biped Yi University of Technology, Taiwan, R.O.C., under grant  walking”,  Proc.  of  IEEE  International  Conference  on No. NCUT 11‐R‐CE‐001.  Robotics and Automation, pp.368‐374, 1999.   [9] M.  ISHII,  “A  robot  teaching  method  using  Hyper 7. References  Card  system”,  Robot  and  Human  Communication,   pp.410‐413, 1992. [1] K.  Daeinabi  and  M.  Teshnehlab,  “Steam  tracking  of  [10] R. Ikeura, and H. Inooka, ”Manual control approach  intelligent  arc  welding  robot”,  Proc. of the 6th WSEAS  to  the  teaching  of  a  robot  task”,  IEEE  Trans.  on  International  conference  on  System  Theory  &  Scientific  Systems, Man and Cybernetics,  vol.  24,  no.  9,  pp.1339‐ Computation,pp.161‐166,2006.  1346, 1994. [2] M. C. Popescu, I. Borcosi, O. Olaru, L. Popescu and F.  [11] K.  S.  Fu,  R.  C.  Gonzalez,  and  C.  S.  G.  Lee,  Robotics  Grofu,  “Simulation  hybrid  fuzzy  control  of  SCARA  control, sensing, vision, and intelligence, 1987.  robot”,  Proc.  of  the  3th  WSEAS  International  conference  [12] Chin‐Pao Hung, Wei‐Ging Liu, Hong‐Jhe Su, Jia‐Wei  on Applied and theoretical mechanics, pp.175‐180, 2007.  Chen,  Bo‐Ming  Chiu,  ”PIC‐Based  Multi‐Channel [3] A.  S.  D.  LOS  R.,  M.  GARDUÑO  G  and  A.  PWM  Signal  Generation  Method  and  Application  to  GONZÁLEZ  L,  “4Stell‐robot:  a  climbing  mobile  Motion  Control  of  Six  Feet  Robot  Toy”,  International  robot  for  gas  containers  inspection”,  Proc.  of  the  3th  Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, Issue  WSEAS/IASME  International  conference  on  Dynamical  2, vol.3,pp.73‐81,2009.  Systems and Control, pp.200‐205, 2007.  [13] Microchip,“dsPIC30F6014A Datasheet Search”, 2008. [4] J.  Lenarcic  and  M.  Stanisic,  “A  humanoid  shoulder  [14] Microchip,“25AA1024 Data sheet”, 2008.  complex  and  the  humanoid  pointing  kinematics,”  [15] Microchip,“PIC18F86520/8520/6620/8620/6720/8720  IEEE Trans. Robot. Autom.,  vol.  19,  no.3,  pp.  499–506,  Data sheet”, 2006.  Jun. 2003. Chin-Pao Hung and Wei-Ging Liu: 7 Intuitive Embedded Teaching System Design for Multi-Jointed Robots