L`IIT et Tektronix unissent leurs forces pour équiper le robot iCub d

L'IIT et Tektronix unissent leurs forces
pour équiper le robot iCub d'une batterie
Plateforme robotique open source
Avec l'oscilloscope de Tektronix, il est désormais en théorie possible
de laisser un robot iCub découvrir librement et par lui-même le
monde qui l'entoure. Cela est possible grâce aux solutions de
mesure électrique de pointe de Tektronix. Le robot iCub, au lieu
d'être connecté à un cordon d'alimentation, porte désormais un sac
à dos contenant une batterie qui alimente ses capteurs, ses circuits
et ses moteurs.
iCub est un robot humanoïde développé à l'IIT (Istituto Italiano Di
Tecnologia, www.iit.it). Disponible sous la forme d'une plateforme
système ouverte sous licence GPL, iCub a été adopté par plus de
30 instituts de recherche de par le monde.
Résumé
Défi
––
Les développeurs de l'IIT (Istituto Italiano Di
Tecnologia) devaient valider et déboguer le
système d'alimentation de la nouvelle batterie-sac
à dos du robot iCub, une plateforme robotique
humanoïde cognitive open source de la taille d'un
enfant de quatre ans.
Solution
––
Afin d'examiner en profondeur sa conception, l'IIT
a acquis une solution de mesure d'alimentation
auprès de Tektronix qui comprend un oscilloscope
MSO4104B, une sonde différentielle TDP1000,
une sonde de courant TCP0030 et quatre
sondes TPP1000, ainsi que des modules
décodeurs, pour mesurer les signaux analogiques,
les caractéristiques de puissance et les
communications des bus.
Avantages
––
Grâce à la solution offerte par Tektronix, les
ingénieurs de l'IIT furent en mesure d'isoler les
problèmes avec efficacité et rapidité, de gérer
les pics de puissance au cours des démarrages
et de caractériser la décharge de la batterie. La
possibilité de décoder les flux de données fut
essentielle pour valider les données des bus CAN
et I2C de par les trois circuits qui intègrent la
conception du sac à dos.
De la taille d'un enfant de quatre ans, iCub comporte 53 moteurs
qui lui permettent de mobiliser la tête, les bras, les mains, la taille
et les jambes, de marcher à quatre pattes, de s'assoir et de
se tenir en équilibre. Il peut voir et entendre, il est sensible à la
proprioception (configuration du corps) et aux mouvements (il est
doté d'accéléromètres et de gyroscopes), et il s'agit du premier
robot recouvert entièrement d'une peau artificielle.
La solution avancée d'alimentation offre
davantage de mobilité à la plateforme iCub
Il était cependant impossible que la plateforme sorte du laboratoire
sans qu'elle soit connectée à une source d'alimentation via un
cordon. Afin de résoudre cette limitation, les ingénieurs de l'IIT
ont développé une batterie-sac à dos qui alimente le robot. Cette
conception comprend :
// Une batterie lithium-ion, 36 V-9,3 Ah.
// Un circuit BMS (système de contrôle des batteries
d'accumulateurs) pour contrôler le niveau de charge, se
prémunir des surtensions et des surintensités, et permettre
l'équilibrage des cellules.
// Un circuit de contrôle (BMON) pour contrôler l'état de la batterie,
y compris les pourcentages de tension, de courant et de charge.
// Un circuit d'alimentation pour mettre en œuvre les conversions
DC/DC de la tension de la batterie à la source d'alimentation
d'iCub, ainsi qu'un HSM (gestionnaire de remplacement à
chaud). Le robot comporte deux niveaux de tension DC :
12 V 10 A pour les moteurs DC et le PC, et 36 V 8 A pour les
moteurs DC sans balais.
// Un circuit principal doté d'une interface Bluetooth (BCB) pour
gérer le système dans son ensemble.
Vérification de la gestion
d'alimentation
À la suite de la mise en œuvre de la
conception de base de la batterie-sac à
dos, les concepteurs de l'IIT ont fait face
à de nombreux défis en matière de test
et de mesure pour examiner la gestion de
l'alimentation, définir des limites de sécurité
relatives au fonctionnement des MOSFET,
déterminer la consommation d'énergie et
valider les communications de données via
les bus CAN et I2C utilisés par les circuits
de contrôle. Un défi de cette complexité
requérait une solution de test en mesure
de fournir des mesures avancées et
précises, et de garantir un fonctionnement
simple et intuitif.
« L'oscilloscope nous a
permis très facilement
d'ajuster correctement
les paramètres,
afin d'assurer une
protection maximale
des MOSFET. »
Marco Maggiali, équipe de développement
Sur la base de collaborations antérieures
couronnées de succès avec Tektronix,
l'équipe a choisi une solution comprenant
un oscilloscope MSO4104B doté d'une
sonde différentielle TDP1000, d'une sonde
de courant TCP0030, de quatre sondes
TPP1000 et de modules décodeurs de
données DPO4AUTO et DPO4EMBD.
Cette solution a permis de mesurer les
signaux analogiques, les caractéristiques
de puissance et les communications de
bus à partir des circuits électroniques.
L'oscilloscope MSO4104B est doté
d'une bande passante de 1 GHz et
d'une fréquence d'échantillonnage de
5 GS/s. Il prend en charge jusqu'à 4 voies
analogiques et 16 voies numériques.
Les voies numériques étant totalement
intégrées à l'oscilloscope, les utilisateurs
peuvent effectuer des déclenchements
sur toutes les voies d'entrée en corrélation
temporelle automatique sur tous les
signaux analogiques, numériques et série.
Rendez-vous sur http://www.icub.org
Un oscilloscope Tektronix MSO4104B a servi
au développement de la batterie-sac à dos du
robot iCub.
En choisissant les sondes de puissance
appropriées parmi l'ample gamme
proposée par Tektronix, les oscilloscopes
de la gamme MSO4000 conviennent
parfaitement aux applications de test
d'alimentation, telles que la batterie-sac
à dos d'iCub. Par exemple, le modèle
TCP0030 utilisé par l'IIT est une sonde de
courant AC/DC haute performance et facile
à utiliser qui propose une bande passante
supérieure à 120 MHz et une plage de
mesure de 5 à 30 A. Elle permet également
d'effectuer des mesures précises de
courant aussi faibles que 1 mA.
Marco Maggiali et Andrea Mura de l'équipe
de développement d'iCub. « Sans effectuer
de réelles analyses du circuit, il est très
difficile de prévoir son comportement
dans une situation réelle », indique M.
Maggiali. « L'oscilloscope nous a permis
très facilement d'ajuster correctement les
paramètres, afin d'assurer une protection
maximale des MOSFET. » La clarté de
l'écran et le logiciel intuitif simplifient
considérablement cette tâche.
Un autre défis auquel l'équipe a fait face
est le fait que les robots constituent de
façon inhérente un environnement bruyant
du fait des différents moteurs qui s'activent
et se désactivent constamment. Dans
ce cas, la sonde différentielle TDP1000
a servi à mesurer les chutes de tension
des résistances shunt des convertisseurs
DC/DC, et à évaluer les niveaux de bruit
au niveau du signal de sortie. Cela a
aidé à placer correctement les filtres à
impédance, les boucles de terre et les
blindages pour minimiser le bruit.
L'étude du phénomène transitoire au
démarrage (Figure 1) a été nécessaire pour
ajuster le comportement du HSM afin
d'être conforme aux limites de puissance
des transistors MOSFET du circuit, d'après
L'oscilloscope s'est également montré utile
pour évaluer l'autonomie de la batterie dans
une variété de situations. Curieusement, il fut
difficile de tester le robot à pleine capacité
en faisant fonctionner ses 53 moteurs
simultanément. L'équipe n'a pas été en
mesure de produire véritablement le pire
des scénarios. Tout comme avec les êtres
humains, il est quasiment impossible
que toutes les combinaisons créant du
mouvement se produisent en même
temps. Après que le robot est atteint
autant que possible sa pleine capacité de
mouvements, la longueur d'enregistrement
de 20 M points de long du MSO4104B
a permis de caractériser la décharge de
la batterie comme l'illustre la Figure 2.
Dans les pires scénarios, l'autonomie
de la batterie était d'environ 1,5 h, mais
elle devrait être bien supérieure dans des
conditions de fonctionnement normales.
Figure 1. Des phénomènes transitoires ont été
identifiés et résolus grâce aux appareils de
diagnostic Tektronix.
Figure 2. La mémoire non volatile du
MSO4104B a servi à caractériser la
décharge de la batterie.
Des mesures ciblées
La sonde de tension et celle de courant
sont utilisées pour mesurer les sorties des
convertisseurs DC/DC et du circuit HSM.
Du fait du débit élevé de courant dans le
robot, l'équipe de l'IIT a effectué plusieurs
tests au cours de son démarrage et de son
fonctionnement normal. La capture d'écran
ci-dessous indique les niveaux de courant,
de tension et de puissance au cours du
démarrage du circuit HSM (gestionnaire de
remplacement à chaud).
La nouvelle batterie-sac à dos contient une
source d'alimentation lithium-ion 36 V-9,3 Ah
suffisamment puissante pour alimenter iCub
pendant plusieurs heures de fonctionnement.
Avec ses trois circuits et ses deux
technologies de bus, la validation et
le débogage des communications de
données constituaient un défi de taille,
surtout si ces tâches devaient être
effectuées manuellement. Les modules
décodeurs de données DPO4AUTO et
DPO4EMBD ont permis de lire et de
valider facilement les communications de
données entre le BCB (circuit principal), le
HSM et le BMON (circuit de contrôle). Le
HSM communique avec le BCB au moyen
d'un bus CAN de 1 Mb/s, alors que le
BMON se connecte au BCB via I2C. Le
BCB comprend une interface Bluetooth
qui permet de communiquer l'état de la
batterie à un appareil mobile ou à la tête
du robot. La Figure 3 illustre un exemple
de signaux de communication des
bus CAN et I2C, ainsi que les octets
respectivement décodés.
Figure 3. Le décodage des bus CAN et I2C
ont permis d'accélérer le débogage.
version 2.0 en ligne de mire (y compris
la batterie-sac à dos). Alors que l'iCub
n'est pas encore prêt à sortir et à jouer
tout seul, le robot continue d'augmenter
ses capacités. Pour en savoir plus sur les
avancées impressionnantes qu'offre la
plateforme iCub, voire pour en obtenir une
pour vos recherches,
rendez-vous sur http://www.icub.org.
Le développement de la plateforme iCub
se poursuit à bon rythme à l'IIT avec la
Rendez-vous sur http://www.icub.org
En savoir plus
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01/16 SMD 48W-31073-0_FR