A Reconfigurable System Approach to the Direct Kinematics of a 5<i>D.o.f</i>Robotic Manipulator
- 1. Universidade de Brasília
Description
Hardware acceleration in high performance computer systems has a particular interest for many engineering and scientific applications in which a large number of arithmetic operations and transcendental functions must be computed. In this paper a hardware architecture for computing direct kinematics of robot manipulators with 5 degrees of freedom (5 D.o.f ) using floating-point arithmetic is presented for 32, 43, and 64 bit-width representations and it is implemented in Field Programmable Gate Arrays (FPGAs). The proposed architecture has been developed using several floating-point libraries for arithmetic and transcendental functions operators, allowing the designer to select (pre-synthesis) a suitable bit-width representation according to the accuracy and dynamic range, as well as the area, elapsed time and power consumption requirements of the application. Synthesis results demonstrate the effectiveness and high performance of the implemented cores on commercial FPGAs. Simulation results have been addressed in order to compute the Mean Square Error (MSE), using the Matlab as statistical estimator, validating the correct behavior of the implemented cores. Additionally, the processing time of the hardware architecture was compared with the same formulation implemented in software, using the PowerPC (FPGA embedded processor), demonstrating that the hardware architecture speeds-up by factor of 1298 the software implementation.
Translated Descriptions
Translated Description (Arabic)
إن تسريع الأجهزة في أنظمة الكمبيوتر عالية الأداء له أهمية خاصة للعديد من التطبيقات الهندسية والعلمية التي يجب فيها حساب عدد كبير من العمليات الحسابية والوظائف المتعالية. في هذه الورقة، يتم تقديم بنية أجهزة لحساب الكينماتيكا المباشرة لمناورات الروبوت مع 5 درجات من الحرية (5 D.O.F) باستخدام حساب النقطة العائمة لتمثيلات عرض 32 و 43 و 64 بت ويتم تنفيذها في مصفوفات البوابة القابلة للبرمجة الميدانية (FPGAs). تم تطوير البنية المقترحة باستخدام العديد من مكتبات النقاط العائمة لمشغلي الوظائف الحسابية والمتسامحة، مما يسمح للمصمم باختيار (ما قبل التركيب) تمثيل مناسب لعرض البت وفقًا للدقة والنطاق الديناميكي، بالإضافة إلى المنطقة والوقت المنقضي ومتطلبات استهلاك الطاقة للتطبيق. تُظهر نتائج التجميع فعالية النوى المنفذة وأدائها العالي على FPGAs التجارية. تمت معالجة نتائج المحاكاة من أجل حساب متوسط الخطأ المربع (MSE)، باستخدام Matlab كمقدر إحصائي، والتحقق من السلوك الصحيح للنوى المنفذة. بالإضافة إلى ذلك، تمت مقارنة وقت معالجة بنية الأجهزة بنفس الصيغة المنفذة في البرنامج، باستخدام PowerPC (المعالج المضمن FPGA)، مما يدل على أن بنية الأجهزة تسرع تنفيذ البرنامج بعامل 1298.Translated Description (French)
L'accélération matérielle dans les systèmes informatiques à haute performance présente un intérêt particulier pour de nombreuses applications techniques et scientifiques dans lesquelles un grand nombre d'opérations arithmétiques et de fonctions transcendantes doivent être calculées. Dans cet article, une architecture matérielle pour le calcul de la cinématique directe des manipulateurs de robots à 5 degrés de liberté (5 D.O.f) à l'aide de l'arithmétique à virgule flottante est présentée pour les représentations de largeur de 32, 43 et 64 bits et elle est mise en œuvre dans les FPGA (Field Programmable Gate Arrays). L'architecture proposée a été développée en utilisant plusieurs bibliothèques à virgule flottante pour les opérateurs de fonctions arithmétiques et transcendantales, permettant au concepteur de sélectionner (pré-synthèse) une représentation de largeur de bit appropriée en fonction de la précision et de la plage dynamique, ainsi que de la zone, du temps écoulé et des exigences de consommation d'énergie de l'application. Les résultats de la synthèse démontrent l'efficacité et la haute performance des cœurs mis en œuvre sur les FPGA commerciaux. Les résultats de simulation ont été abordés afin de calculer l'erreur quadratique moyenne (MSE), en utilisant le Matlab comme estimateur statistique, validant le comportement correct des cœurs mis en œuvre. De plus, le temps de traitement de l'architecture matérielle a été comparé à la même formulation implémentée dans le logiciel, en utilisant le PowerPC (processeur FPGA embarqué), démontrant que l'architecture matérielle accélère par un facteur de 1298 l'implémentation du logiciel.Translated Description (Spanish)
La aceleración de hardware en sistemas informáticos de alto rendimiento tiene un interés particular para muchas aplicaciones de ingeniería y científicas en las que se debe calcular un gran número de operaciones aritméticas y funciones trascendentales. En este documento se presenta una arquitectura de hardware para calcular la cinemática directa de los manipuladores de robots con 5 grados de libertad (5 D.o.f) utilizando aritmética de coma flotante para representaciones de 32, 43 y 64 bits de ancho y se implementa en Field Programmable Gate Arrays (FPGA). La arquitectura propuesta se ha desarrollado utilizando varias bibliotecas de coma flotante para operadores de funciones aritméticas y trascendentales, lo que permite al diseñador seleccionar (pre-síntesis) una representación de ancho de bits adecuada de acuerdo con la precisión y el rango dinámico, así como el área, el tiempo transcurrido y los requisitos de consumo de energía de la aplicación. Los resultados de la síntesis demuestran la efectividad y el alto rendimiento de los núcleos implementados en FPGA comerciales. Se han abordado los resultados de la simulación con el fin de calcular el Mean Square Error (MSE), utilizando el Matlab como estimador estadístico, validando el correcto comportamiento de los núcleos implementados. Adicionalmente, se comparó el tiempo de procesamiento de la arquitectura de hardware con la misma formulación implementada en software, utilizando el PowerPC (procesador embebido FPGA), demostrando que la arquitectura de hardware acelera por factor de 1298 la implementación de software.Files
727909.pdf.pdf
Files
(4.5 kB)
| Name | Size | Download all |
|---|---|---|
|
md5:29e88a5d05276c580fe48d46b0f9053d
|
4.5 kB | Preview Download |
Additional details
Additional titles
- Translated title (Arabic)
- نهج نظام قابل لإعادة التشكيل للحركة المباشرة لمناور<i> آلي</i> 5 D.O.f
- Translated title (French)
- Une approche système reconfigurable de la cinématique directe d'un manipulateur<i> robotique</i> 5 D.o.f
- Translated title (Spanish)
- Un enfoque de sistema reconfigurable a la cinemática directa de un manipulador robótico<i> de</i> 5 dof
Identifiers
- Other
- https://openalex.org/W2066466951
- DOI
- 10.1155/2010/727909
References
- https://openalex.org/W1480333149
- https://openalex.org/W1541040629
- https://openalex.org/W2083923079
- https://openalex.org/W2159280133