5. fejezet - Telemanipuláció

Tartalom
5.1. A telemanipuláció rövid története
5.2. Mi is a telemanipuláció
5.3. A telemanipuláció általános megközelítése
5.3.1. Alapdefiníciók
5.3.2. Az ideális Telepresence (Telejelenlét)
5.3.3. Réteg definíciók
5.3.4. Szenzor Réteg (Sensor Layer)
5.3.5. Manipulációs Réteg (Manipulation Layer)
5.3.6. Szállító Réteg (Transporter Layer)
5.3.7. A telemanipuláció speciális esetei
5.4. Master eszköz mint tapintó interfész
5.4.1. Kesztyű típusú tapintó interfész
5.4.2. Szenzoros kesztyűt viselő operátor kezének animációja
5.4.3. Grasping
5.5. Vezérlő modellek áttekintése
5.5.1. Alapfelépítések
5.5.2. Nem lineáris skálázás (Virtuális csatoló impedanciák)
5.5.2.1. A Smith Predictor
5.5.2.2. Hullámváltozó megközelítés
5.6. Egy teljes alkalmazási példa: Kézfogás az interneten keresztül
5.6.1. Virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval
5.6.1.1. Virtuális impedancia
5.6.1.2. Pozíció hiba korrekció
5.6.1.3. A kézfogó berendezés irányítási rendszere
5.6.2. Kísérlet
5.7. Konklúziók
5.8. Mikromanipulációs rendszerek
5.8.1. A master eszköz
5.8.2. A slave eszköz

5.1. A telemanipuláció rövid története

Az első modern master-slave telemanipulációs rendszert 1945. körül Goertz fejlesztette ki az Argonne Nemzeti Laboratóriumban (ANL) [1]. Ez egy mechanikai pantográf rendszer volt, amivel az emberi operátor radioaktív anyagokat tudott vezérelni egy ”forró cellában”, úgy hogy közben ő a cellán kívül helyezkedett el. A fogantyút, mint master eszközt fogva az operátor mozgatni tudta a cellában elhelyezett slave eszközként működő megfogót és a folyamat során erőértékeket kapott. Nem sokkal később, még 1945-ben az elektronikus szervómechanizmusok felváltották a direkt mechanikus master – slave rendszereket és láncolatait [2]. A zárt áramkörű televíziót amikor bemutatták, a kezelő tetszőleges távolságban helyezkedhetett el a szerkezettől. A slave és környezete között kialakult erőhatást a master eszköz érzékelte. 1964-ben, Mosher kifejlesztett egy hatásos modellt, ami egy handy-man volt elektrohidraulikus kezekkel, kezenként 10 szabadságfokkal. Az akkori kutatások egyik fő témája a robotrendszerek távirányítása volt. A távirányítású robot rendszereket gyártásban, víz alatti manipulációban, tartályellenőrzéseknél, atomerőművek karbantartásánál, űrkutatásban és sok más helyen felhasználták. A telemanipulációval (telerobotika) kapcsolatban lévő fejlesztések történelmi áttekintések az [1]- ben találhatók.

5.2. Mi is a telemanipuláció

A telemanipuláció az a folyamat, ahol az operátornak valamilyen feladatot kell elvégeznie veszélyes vagy számára elérhetetlen környezetben, mint például az űrben, víz alatt, atomerőműveknél, ahol fizikailag nem lehet jelen. A teleoperációs rendszer kibővíti az operátor hatáskörét, így a Távoli Munkatéren is tud munkát végezni. Ezt a kiterjesztést a master – slave rendszerekkel oldották meg. A telemanipuláció két, egymással szorosan összefüggő folyamatra bontható. Egyik folyamat a master és az operátor kölcsönhatása, a másik a slave készülék és a távoli környezetnek a kölcsönhatása. A master szerkezet testesíti meg a távoli környezetet az operátor oldalon, a slave szerkezet pedig az operátort a távoli oldalon. Amikor emberek használják ezt a szerkezetet csak azért hogy tárgyakat mozgassanak és a távoli környezetből érkező reakcióerőnek nincs számottevő hatása a teljesítményre, akkor az operátor pozíciójának mérése és vizuális visszacsatolás elegendő lehet. De amikor az elvégezendő feladatban fontos a környezet reakciója, és a slave szerkezet kárt okozhat a távolról irányított környezetben (csavar becsavarása, összeszerelés), az erő visszacsatolása elengedhetetlen a hatékonyság javítása érdekében. Az erővisszacsatolás fokozza az élményt, úgy érezheti az operátor, mintha ott lenne. Az operátor és a távolról irányított oldal közötti információ áramlását az 5-1. ábra ([3]) mutatja, ahol 3 típusú információ visszacsatolás látható (vizuális, hangi és az érintési). Habár az ember öt különböző visszacsatolást érzékel a környezetéből, de a telemanipulációnál csak hármat használtak fel.

A telemanipuláció információ áramlása ([3])
5.1. ábra - A telemanipuláció információ áramlása ([3])


5.3. A telemanipuláció általános megközelítése

5.3.1. Alapdefiníciók

Az 5-2. ábra a telemanipuláció általános koncepcióját mutatja. A “világ” két részre van bontva: a Master Részre és a Slave Részre. A master – slave rendszer mint két információs csatorna jelenik meg: Hatás és Ellenhatás csatorna. A Hatás csatorna továbbítja az információt az operátortól a Távoli Munkatérhez. Az Ellenhatás csatorna pedig az ellenkező irányban működik: a Távoli Munkatértől az operátorig. A telemanipuláció hajnalán, az emberi operátor és az irányított környezet mechanikailag össze volt párosítva. Az információ mechanikusan áramlott, ami eléggé leszűkítette a az elvégezhető feladatokat. Manapság az információ elektronikusan áramlik, ami egy új dimenziót nyitott a slave oldalon. Az Ember – Robot rendszereket is már telemanipulációként lehet felfogni, ahol az ember és a robot szimultán dolgoznak a feladaton. Például egy távirányítású bomba hatástalanításnál a robotnak el kell érnie a bombát, majd a visszaszámlálót szét kell szerelnie slave manipulátorok segítségével. Ebben az esetben a navigációs és a manipulációs feladat különválhat. Amikor egy mobil robotcsoport összehangoltan mozgat egy nagy tárgyat, akkor az operátornak kell irányítani az egész folyamatot. Általában a Slave Eszköz akár egy Multi Robot Rendszer is lehet, ahol több mint egy robotdolgozik együtt a feladaton. A Számítógépes Hálózati Vezérlés (Computer Networked Control) segítségével a rendszer kiterjeszthető. Az a koncepció az, hogy egy operátor és a robot páros helyett többszörös operátort, robot vagy akár több assistant agent-et használnak, amelyek összehangoltan dolgoznak együtt [4]. Az Ember – Robot típusú telemanipuláció a következők szerint osztályozható:

  • Single master-- single slave

  • Multi-master-- single slave

  • Single master -- multi-slave

  • Multi-master-- multi-slave

A telemanipuláció általános koncepciója
5.2. ábra - A telemanipuláció általános koncepciója


Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a telemanipuláció hatásköre kiszélesedett és új terminológiák jelentek meg. Néhányat összegyűjtöttünk itt.

A Teleoperátor az maga a gép, ami végrehajtja a műveletet a távoli helyszínen. A teleoperátor általános értelmezését használva, a Telerobot egy alosztály. Eredetileg a telemanipuláció a cselekvést jelentette, amiben a slave manipulátor leköveti a master manipulátor mozdulatait. Ebben az esetben a slave és a master manipulátor ugyan olyan struktúrájú. Ennek a koncepciónak a kiterjesztése azt jelenti, hogy a master eszközzel vezérelt és a slave eszközzel végrehajtott távoli helyszínen történt manipulációt, egy emberi operátor irányítja a master szerkezeten keresztül. Ezt a kiterjesztett értelmezést használva, a master és a slave eszköz felépítése különbözhet, de az egész manipulációs folyamatot az emberi operátor irányítja, azaz a slave oldalnak külön nincs intelligenciája. A következő lépés az intelligencia kiterjesztése. A slave eszköz megtanulhatja az emberi operátor mozgásait és követheti a betanult mozgást azon folyamatoknál, amikor az utasítás késik például a nem megfelelő internetkapcsolat miatt [5]. Néhány szerző a teleoperáció szót a telemanipuláció kibővített értelmezésként, néhányan pedig ugyanazon jelentéssel említik.

Az emberi operátornak szüksége van az illúzióra, hogy közvetlen kontaktusban van a távolról irányított környezettel, így tud megfelelő minőségű munkát végezni. Ilyen például a távolról egy vezérelt összeszerelés (szétszerelés), egy finom mechanizmus (időzített bomba). Az emberi operátor öt különféle érzetet érzékel (látás, hallás, érintés, szaglás és ízlelés), de csak az első háromnak a kombinációját használja fel a manipulációnál. Azt a pszichológiai érzést, hogy ”jelen van” egy környezetben, a technológiailag megalkotott ”belemerült” környezetben alakítják ki, ez a Telepresence (Telejelenlét) [6,7] érzés, amivel a megfelelő érzet kialakulhat. A master eszköz megkaphatja a szükséges információkat visszacsatoltan a slave eszköztől, abból a természetes érzésből adódóan, hogy fizikailag úgy érezzük, a távoli helyen tartózkodunk. Telepresence rendszerek a teleoperátorok alosztálya. Az hang-vizuális visszacsatolás jól kifejlesztett és jól elérhető manapság. A legnagyobb kihívást a tapintás visszacsatolása jelenti, ami szükséges, hogy a környezet fizikailag érezhető legyen. Ez az erővisszacsatolás kiterjesztése. Az emberi operátornak különböző érzékelő receptorai vannak, amivel különböző kontakterőket tud érzékelni. A tapintáson alapuló (bőr) visszacsatolást a mechanoreceptorok érzékelik, amik a csupasz bőrfelületen (főleg az ujjbegyeken) találhatóak. 50 – 350 Hz [8] –es sávszélességel képesek jelet átvinni. Így nagy részletességű információ is közölhető, mint például a felületnek minősége. Az erő (kinesztetikus) visszacsatolásnak kisebb jelátviteli sávszélessége van (10 Hz-ig), amit az izomban lévő receptorok és a csontrendszer biztosít. Ez például testtartással kapcsolatos információkat közöl. Az erővisszacsatolás nem csak növeli a hatékonyságot, de ki is szűri az operátor pontatlanságait.

5.3.2. Az ideális Telepresence (Telejelenlét)

Egy tipikus telejelenlétben származó információ szükséges az irányított oldalról, hogy az emberi operátor el tudja végezni a feladatot. Így úgy érzékelheti, hogy fizikálisan jelen van a feladat elvégzésénél. Eszerint a teleoperátornak teljes átlátszóságot (transparency) kell biztosítania, ami azt jelneti, hogy a master-ből elküldött pozíció, sebesség és erő értékek a slave-en megjelentekkel egyenlőnek kell lenniük. Egy példa az egyszerű, távoli eszközre a távoli megfogó, amivel egy atomerőműben mozgattak tárgyakat [5]. Ha ez a megfogó merev, és könnyű mozgatni, akkor az operátor egyszerűen el tudja végezni a feladatot. Az ideális master – slave kapcsolat ábráját az 5-3. ábra mutatja forgó mozgás (a) és lineáris mozgás (b) esetén. Ha az operátor forgatja (mozgatja) a master rudat qm-mel (xm), akkor a slave rúdnak is qm-mel kell mozognia (qm= qs vagy xm= xs), és az operátornak érzékelnie kell a környezet reakcióerejét is (Fo=- Fe) ideális esetben. Ebből a példából látszik, hogy a teleoperátor megkívánt dinamikai viselkedése közel áll a merev rúdéhoz, aminek a mechanikai tulajdonságai a nagy merevség és kicsi inercia. A master és a slave kar csatlakozásának végtelen merevségűnek és 0 tömegűnek kéne lennie.

Ideális Telepresence (Telejelenlét) rendszer: (a)Forgó mozgás manipuláció (b)Lineáris mozgás manipuláció
Ideális Telepresence (Telejelenlét) rendszer: (a)Forgó mozgás manipuláció (b)Lineáris mozgás manipuláció
5.3. ábra - Ideális Telepresence (Telejelenlét) rendszer: (a)Forgó mozgás manipuláció (b)Lineáris mozgás manipuláció


Habár a valóságban, még ha feltételezzük is, hogy a master és a slave fizikailag egyenlő, meg fog jelenni az időkésleltetés. Az ideális időkéslelteséses Telemanipulációs válaszok azért ismertek:

A teleoperátornak stabilnak kell maradnia.

Az emberi operátor által a masterre kifejtett erő egyenlő a környezetből visszaküldött erővel egyensúlyi állapotban. Ez segíti az operátorokat, hogy érzékeljék a visszaküldött erőhatást.

A master pozíciója megegyezik a slave pozíciójával egyensúlyi állapotban.

5.3.3. Réteg definíciók

A Master Rész és a Slave Rész három fő rétegre bontható (5-4. ábra). A rétegek vertikálisan a helyi rétegekkel tudnak kommunikálni, horizontálisan pedig a távoli rétegekkel interneten keresztül. A Szenzor Réteg (Sensor Layer) tartalmazza a szükséges szenzorokat, amivel a Távoli Környezetet (Remote Environment) és a Távoli Munkateret (Remote Workplace) figyeli meg. Általában ezek a szenzorok kontaktmentes szenzorok. A Manipulációs Réteg (Manipulation Layer) végzi effektív a munkát a Távoli Munkatéren. Ez a réteg tipikusan magába foglalja a Slave Eszközt és tartalmazhat kontakt szenzorokat. A Szállító Réteg (Transporter Layer) tartalmazza a Szállítót (Transporter – mobile unit), ami a slave eszközt hordozza. A Megfigyelő Réteg (Monitor Layer) a Master Részen megmutatja a Szenzor Réteg feldolgozott adatait. Ezek a megfigyelők általában érintkezésmentes kijelzők vagy indikátorok. A Manipulációs Rétegnek valós kontaktusban van az Operátorral és tipikusan magába foglalja a Master Eszközt. Ez a réteg, beleértve Master Eszközt is, tartalmazhat kontakt szenzorokat és kontakt aktuátorokat is. A kontakt aktuátorok közvetítik a Manipulációs Réteg kontakt szenzorai által érzékelt adatokat. A Szállítást Irányító Réteg (Transport Control Layer) irányítja a Szállítót a Slave Részen. Ez a réteg olyan szolgáltatásokat tartalmazhat, amik segítenek a Szállító Réteg navigációjában a Slave Részen.

Réteg definíciók az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.
5.4. ábra - Réteg definíciók az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.


5.3.4. Szenzor Réteg (Sensor Layer)

A Szenzor Réteg konfigurációját az 5-5. ábra mutatja. A Slave oldali érintkezésmentes szenzorok a Távoli Környezetet figyelik meg. Az Intelligens Adatfeldolgozó (Intelligent Sensed Data Computing System) preprocesszálja az érzékelt adatokat Slave Részen. Ennek a berendezésnek a szerepe a szűrés, korrekció és a tömörítés. A tömörített audió és videó formátumokat elterjedten használják a neten, hogy csökkentsék az adatmennyiséget. A Feldolgozó Rendszer tartalmazhat alakfelismerő modult a Slave Rész hatásfokának és az intelligenciájának növelése érdekében. A Master oldali Intelligens Adatfeldolgozó szerepe az, hogy a tömörített adatokat kibontsa és helyreállítsa az elveszett információkat.

Szenzor Réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.
5.5. ábra - Szenzor Réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.


5.3.5. Manipulációs Réteg (Manipulation Layer)

A telemanipulációnak van egy másik megközelítése is. A telemanipulációs folyamat két összefüggő alfolyamatra bontható. Az egyik alfolyamat a Lokális Környezetben fut (Local Environment), ez a Lokális Folyamat (Local Process). A másik a Távoli Környezetben fut (Remote Environment), ezt Távoli Folyamatnak (Remote Process) nevezik. A Lokális Folyamat az Operátor és a Master közötti, a Távoli Folyamat a Slave és a Távoli Környezet közötti folyamatos információáramlás. Ha a telemanipuláció ideális, a két folyamat ugyan az. Az ideális telemanipuláció esetén a Master Eszköz képviseli a Távoli Munkateret a Lokális Környezetben és a Slave Eszköz képviseli az Operátort a Távoli Környezetben. A Kommunikációs Csatorna (Communication Channel) az összekötő elem a két alfolyamat között. A Kommunikációs Csatorna fő feladata, hogy biztosítsa a teljes átlátszóságot ideális telemanipuláció esetén.

A Manipulációs Réteg konfigurációja az 5-6. ábrán látható. Jellemzően ebben a rétegben van a Slave és a Master eszköz is, ahogy fent említettük. Ennek a rétegnek a fő célja a pozícióirányítás és az erő visszacsatolás. Az erővisszacsatolás jelenti az információáramlást a rétegek és a Master-Slave Részek között. Az erővisszacsatolás egy tipikus hatás – ellenhatás folyamat. Az erővisszacsatolás egzakt megvalósítása függ a specifikációtól. A Master Eszköz konfigurációja nem egyenlő a Slave Eszköz konfigurációjával általános esetben. Az Intelligens Pályatervező (Intelligent Path Planning) jelenti a kapcsolatot pozícióban és erőben a master és a slave között.

Manipulációs réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.
5.6. ábra - Manipulációs réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.


5.3.6. Szállító Réteg (Transporter Layer)

A Szállító Réteg konfigurációja az 5-7. ábrán található. A Slave oldali Szállító Réteg konfigurációja nagyon hasonló a Manipulációs Réteg egyik oldalához. A Szállító Réteg kapcsolatban áll a Távoli Környezettel, hordozza a Slave Eszközt és a szükséges szenzorokat.

A Feladatorientált Pályatervező Rendszer (Task Oriented Path Planning System) vezérli a szállítót a Slave Részen. Ez az eszköz használhat fejlett szolgáltatásokat, mint például GPS (Global Positioning System), GIS (Geographic Information System) és ITS (Intelligent Transport System).

Szállító Réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.
5.7. ábra - Szállító Réteg definíciója az internet alapú Telemanipuláció általános koncepciójához.


5.3.7. A telemanipuláció speciális esetei

Telemanipuláció virtuális valóságban előnyös lehet, amikor az operátor betanulja a veszélyes vagy nehéz feladatok elvégzését, mint például radioaktív anyagok kezelése vagy robbanó tárgyak szétszerelése; repülőgép, helikopter vagy tengeralattjáró irányítása valós idejű szimulációs környezetben. Sőt a repülőgép és más jármű szimulátorok nagyon elterjedtek a szórakoztatóiparban is. Mind szakmai, mind kereskedelmi szempontból vonzó terület lehet. A telemanipuláció virtuális valóságban való alkalmazását mutatja az 5-8. ábra. Az operátor egy fejre szerelhető szerkezetet visel, ami a vizuális visszacsatolást végzi. A kar és a kesztyű típusú master eszköz biztosítja a tapintás érzését. Az operátor vizuálisan látja a tárgyat, amit meg tud érinteni és mozgatni is tudja [10].

Telemanipuláció a virtuális valóságban.
5.8. ábra - Telemanipuláció a virtuális valóságban.


A mikró- és nanotechnológia megnyitott egy relatív új, felemelkedő telemaipulációs területet. A makró világból áttérve a mikró/nano világba, a legnagyobb különbség a tárgyak méretének a csökkenésében van, ahol a hossz változás hatását scaling-ként definiálták. Egyértelmű, hogy az erőt és a pozíciót szükséges átméretezni (5-9. ábra). A másik probléma az úgy nevezett sávszélesség hatás, ami azt jelenti, hogy a master eszköz (beleértve az emberi operátort) reakciójának a sávszélessége és a slave eszköz, nano/ mikró környezetének a sávszélessége különböző. A mikró/nano aktuátornak kisebb az időállandója mint a makró erővisszacsatoló eszköznek. Tehát egy impedancia átméretezés szükséges, hogy elkerüljük az instabilitást és a megbízhatatlan erő érzetét. Egyfajta időskálázásként is felfogható ez az állítás. Másképp megfogalmazva, a mikró/nano jelenség túl gyors lehet az emberi érzékeléshez, ezért le kell lassítani virtuálisan csatolt impedanciával.

Mikró/nano teleoperációs rendszer.
5.9. ábra - Mikró/nano teleoperációs rendszer.


5.4. Master eszköz mint tapintó interfész

Az operátorok feladataikat főleg kézzel végzik, ezért a master eszközöknek illeszkedniük kell a kezükhöz. A telemanipuláció területén sok tapintó eszközt fejlesztettek ki. Ezeket az eszközöket sok különböző területen alkalmazzák, mint például az orvostechnika területein, az atomenergiával kapcsolatos munkálatokban vagy a szórakoztatóiparban. A következőkben négy fontos master eszköz koncepciója kerül bemutatásra.

Az erő visszacsatolással rendelkező joystickot a telemanipuláció fejlődésének korai szakaszában fejlesztették ki. Napjainkban már számos erő visszacsatolással rendelkező joystick kapható a kereskedelemben. Ez az eszköz optimális alacsony minőségi követelményekkel rendelkező telemanipulációs alkalmazásokhoz, például úgynevezett “pick and place” műveletekhez, ezen kívül rendkívül népszerű a videójátékok rendszereiben. Szintén fontos felhasználási terület a különböző járművek, például repülőgépek, helikopterek vagy tengeralattjárók, valós idejű szimulátorai. A legnagyobb probléma ezekkel az eszközökkel a dinamikus változások kezelése ("on the fly"), ugyanis egy további eszköz használata szükséges a joystick dinamikai egyensúlyának megtartásához, ami rendkívül fontos funkció a különböző precíziós műveletek elvégzésénél. Az eszköz másik hátránya, hogy csupán két szabadsági fokkal rendelkezik.

A mutató típusú master eszköz úgy működik mint egy hat szabadsági fokú manipulator, az operátor célozni tud vele egy távolihelyen. A “Phantom” [12] egy ilyen típusú eszköz (lásd: 5-10. ábra) ami direkt hajtást alkalmaz és híres a nagy felbontásáról, azonban csupán az ujjbegyekre terjed ki. Az operátor ezzel az eszközzel úgynevezett “tip type slave” eszközöket tud kezelni. Ezeket az eszközöket a felszíni manipulációkhoz használják széles körben, mint például a nano térben történő telemaipulációhoz. [11]

A kar típusú master eszköz (lásd 5-11. ábra) lefedi az emberi kart a válltól a csuklóig és hat szabadságfokkal rendelkezik. Az ilyen eszközök hasznosak lehetnek olyan alkalmazásoknál amikor az operátornak használnia kell a karját, hogy elvégezzen valamilyen feladatot egy távoli helyen, tipikus felhasználási terület például a bányászat. Néhány alkalmazásban előfordul, hogy az ilyen kar típusú master eszközök valamilyen komplex eszköz alrendszerét alkotják.

A kesztyű típusú master eszköz teszi lehetővé használója számára a legösszetettebb és legkifinomultabb manipulációt [13]. Az emberi kéz a legszélesebb körben használt végtagunk, így a végső cél egy olyan rendszer kifejlesztése, amely segítségével a kezelője úgy érezheti, hogy az eszköz funkciói a teljes kezére kiterjednek. A telemanipuláció különböző típusai nem végezhetőek el erő visszacsatolás nélkül,a következőkben egy húsz szabadságfokú, szenzorokkal felszerelt, erő visszacsatolásos, kesztyű típusú eszköz bemutatása következik. (lásd: 5-12. ábra)

Mutató típusú master eszköz
5.10. ábra - Mutató típusú master eszköz


Kar típusú master eszköz
5.11. ábra - Kar típusú master eszköz


Kesztyű típusú master eszköz
5.12. ábra - Kesztyű típusú master eszköz


5.4.1. Kesztyű típusú tapintó interfész

A.1 Mechanikai felépítés

A kezelő csuklójának helyzetét induktív érzékelő méri. A szenzorokkal ellátott kesztyű erő visszacsatolással van ellátva minden egyes ponton, ahol az ujjakhoz csatlakozik, így kezelője úgy érezheti, hogy jelen van a távoli környezetben. Az ujjak modelljének mechanikai felépítése az 513. ábran látható. A készüléket úgy tervezték, hogy kellő hely álljon rendelkezésre az érzékelők és működtetők számára és a kézhez szalagokkal legyen rögzíthető. A kesztyű összes mozgása egy fix bázishoz képest történik, amely egy, a tenyéren elhelyezett fém lemez. A fém lemezhez öt rotációs meghajtó van csatlakoztatva, amiken három billenő meghajtót helyeztek el.

A szenzoros kesztyű mechanikai felépítése
5.13. ábra - A szenzoros kesztyű mechanikai felépítése


Az 514. ábra az eszköz egy szabadságfokának struktúráját mutatja. Az ujj ízületeinek nyomatékát nyúlásmérő bélyegekkel mérhetjük. A motorokban elhelyezkedő fordulat jeladókat az ízületek elfordulási szögeinek mérésére használják. Ideális esetben a motorok közvetlenül az ízületekkel együtt mozognak, azonban a gyakorlatban nem áll rendelkezésre olyan motor ami elegendően kicsi és könnyű ahhoz, hogy a kézhez lehessen csatolni. A csigák és a csövekben található vezetékek szolgálnak arra, hogy az erőket a motorhoz továbbítsák. Egyetlen motor képes különállóan kezelni mind a húsz ízületet amely az emberi kézben található. Egy ízület megfeleltethető az eszköz két szegmensének. A legfőbb probléma a súrlódás, ugyanis az így fellépő erő miatt a kezelő nem tudja érzékelni, hogy melyik erő alakul ki a távoli környezetben. A súrlódási erő kompenzálásának lehetőségeiről szól a IV. fejezet.

A szenzoros kesztyű egy szabadsági fokának struktúrája
5.14. ábra - A szenzoros kesztyű egy szabadsági fokának struktúrája


5.4.2. Szenzoros kesztyűt viselő operátor kezének animációja

A vizuális visszajelzés célja, hogy valósan reprezentálja az operátor kezét és a program lehetőséget nyújtson a felhasználó számára, hogy a teljes három dimenziós térben vándoroltathassa azt.

A programot úgy tervezték, hogy teljes szimulációs üzemmódban futhasson helyileg vagy TCP/IP csatlakozáson keresztül, mint az internet vagy a helyi hálózat. Szimulációs üzemmódban a program segítségével reprezentálni lehet az emberi kéz minden mozgását. Annak érdekében, hogy ez végrehajtható legyen mind anatómiai, mind matematikai modelleket fel kellett építeni, amelyek programnyelve az OpenGL. A matematikai levezetés a Denavit-Hartenberg jelöléseket használja, ugyanis ezek jól kezelhetők mind manuális megoldásnál, mind az Open GL rendszerben.

A model számos alapvető feltevést használ, ezek a következők:

  • A bázis koordináta rendszer minden ujj esetében azonos, annak érdekében, hogy az ujjbegyek koordinátáit általánosan közös koordináta rendszerben lehessen számolni

  • Ez a közös koordináta rendszer mint egy nulladik csatlakozás van figyelembe véve. Ez azért szükséges, hogy a későbbiekben a modell könnyen kiterjeszthető legyen ha szükséges

  • Egy ujj három csatlakozást tartalmaz, az elsőnek két szabadsági foka van, a másik kettőnek pedig egy-egy, ami síkbeli forgatásnak felel meg. Az első csatlakozás pozíciója az l0 változó segítségével írható le, ami megfelel a közös koordináta rendszer és az első csatlakozás távolságának.

  • Egy ujj mentén di értéke nulla, ami azt jelenti, hogy a közös normális vonala ugyanabba a vonalba esik mint az ujj.

  • Egy ujj mentén az ai változó az adott szegmens hosszát jelöli.

  • A csavarási szög csak a bázis koordináta rendszert és az első csatlakozást veszi figyelembe, ugyanis az ujj oldalirányú mozgását is figyelembe kell venni.

Fontos, hogy a nullának vett koordináta rendszer azonos az összes ujj esetében és ez közös referenciaként szolgál az egész kezet illetően. Az egyes i szögek és l0 változók egyértelműen meghatározzák a következő csatlakozás koordináta rendszerének pozícióját és orientációját minden ujj esetében. Két koordináta rendszer között a di változó megegyezik az l0 szegmens hosszával. A 0 csatlakozástól kezdve a q0 megadja a i kapcsolatot két csatlakozás között.

X= A 1 0 X 1

( 5.1 )

Az (5.1) egyenletben A01 a 44 méretű homogén transzformációs mátrix a két szomszédos izület között és Xs vektorok a helyzetvektorok az adott koordináta rendszerben.

A 1 0 =[ cos θ 1 -sin θ 1 cos α 1 sin θ 1 sin α 1 a 0 cos θ 1 sin θ 1 cos θ 1 cos α 1 -cos θ 1 sin α 1 a 0 sin θ 1 0 sin α 1 cos α 0 d 0 0 0 0 1 ]

( 5.2 )

A robot kéz koordináta rendszerekkel ellátott számítógépes animációja
5.15. ábra - A robot kéz koordináta rendszerekkel ellátott számítógépes animációja


[ x 0 y 0 z 0 1 ] = [ cos θ 1 - sin θ 1 cos α 1 sin θ 1 sin α 1 a 0 cos θ 1 sin θ 1 cos θ 1 cos α 1 - c o s θ 1 sin α 1 a 0 sin θ 1 0 sin α 1 cos α 1 d 0 0 0 0 1 ] · [ x 1 y 1 z 1 1 ]

( 5.3 )

Ahogy azt már korábban említettük, ebben az esetben nagysága 0º, azaz koszinuszának értéke 1, szinuszának értéke pedig nulla. Két ízület esetében d értékét nullának kell venni, az értéke pedig megegyezik a szegmens hosszával. Behelyettesítve ezeket az értékeket a fenti egyenlet leegyszerűsödik és a lent látható format veszi fel. (5.4).

[ x 0 y 0 z 0 1 ] = [ cos θ 1 sin θ 1 0 l 0 cos θ 1 sin θ 1 cos θ 1 0 l 0 sin θ 1 0 0 1 0 0 0 0 1 ] [ x 1 y 1 z 1 1 ]

( 5.4 )

Ekkor az első ízületnél található koordináta rendszer pozíciója és orientációja ismert és további transzformációk végezhetőek.

A további transzformációkkal egy általános formula kapható, amivel kiszámítható az ujjbegyek pozíciója a közös koordináta rendszerben. Ezt az összefüggést mutatja az (5.3) jelölésű egyenlet, ami nagyon hasonló az (5.1) egyenlethez. A T mátrix tartalmazza az ujjbegy pozícióját és orientációját a bázis koordináta rendszerben.

T= A 1 0 ( θ 1 ) A 2 1 ( θ 2 ) A 3 2 ( θ 3 ) A 4 3 ( θ 4 ) A 5 4 ( θ 5 )

( 5.5 )

Hasznos megállapítani, hogy a kettes csatlakozásnak két transzformációs mátrixa és koordináta rendszere van a két lehetséges rotációs tengely miatt.

P 1 = T 1 X 15

( 5.6 )

ahol X15 az ujjbegy helyvektora a lokális koordináta rendszerben.

Mind az öt ujjbegy pozíciója és orientációja a bázis koordináta rendszerben (azaz a csuklóhoz rögzített koordináta rendszerben) megadható az (5.7) összefüggés segítségével, a csatlakozási szögek függvényében.

P= [ f( θ 11 , θ 12 , θ 12 , θ 14 )f( θ 21 , θ 22 , θ 23 , θ 24 ) f( θ 31 , θ 32 , θ 33 , θ 34 )f( θ 41 , θ 42 , θ 43 , θ 44 )f( θ 51 , θ 52 , θ 52 , θ 54 ) ]

( 5.7 )

5.4.3. Grasping

Az 516. ábra az ujjbegy, a kontakt pont és az objektum koordináta rendszerei közötti transzformációt illusztrálja [10]. Definiáljuk a homogén transzformációs mátrixokat: Ui R4x4 és Vi R4x4, ahol Ui az ujjbegy koordináta rendszerből (Ti R4x4 ) a kontakt koordináta rendszerbe (Ci R4x4 ) történő transzformációt és Vi R4x4 a kontakt koordináta rendszerből az objektum koordináta rendszerbe ( Bi R4x4 ) történő transzformációját jelenti. A kontakt koordináta rendszer (Ci) x és y tengelye tangense, míg a z tengely perpendicularisa az objektum felületének (5-17. ábra). A következő transzformációs mátrixokat: i R6x6 és i R6x6 definiáljuk úgy, hogy i R6x6 jelenti az ujjbegy rendszerében keletkező erőknek (Tifi) a kontakt koordináta rendszerben lévő erőkbe (Cifi) történő tarnszformációját és i jeletni ezeknek az erőknek az objektum referencia koordináta rendszerében (B) lévő erőkbe (Bfi) történő transzformációját.

Három ujjal megfogott tárgy
5.16. ábra - Három ujjal megfogott tárgy


Kontakt pont és koordináta rendszer
5.17. ábra - Kontakt pont és koordináta rendszer


A koordináta rendszerek közötti transzformációkat a következőképpen írhatjuk le:

Ci= Ti Ui

B= Ci Vi= Ti Ui Vi

Cifi =i Tifi

Bfi=i Cifi=i i Tifi

(5.8)

ahol Ui, Vi a homogén transzformációk és i , i az erők transzformációi [10].

A szenzorokkal elllátott kesztyű két típusú szenzor kimenettel rendelkezhet, nyomatékokkal amelyeket a kezelő hoz létre R5x4 és az ujjak találkozásainál keletkező szögeltérésekkel: R5x4. Ti értékét az előző kinematikai egyenletekből fejezhetjük ki értékét felhasználva.

5.5. Vezérlő modellek áttekintése

5.5.1. Alapfelépítések

Ahogy azt az 52. ábra bemutatja, egy telemanipulációs rendszerben a kommunikáció két irányban történik. Az olyan vezérlőt, amely két különböző irányba ad ki vezérlési parancsokat bilateriális, azaz kétoldalú vezérlőnek nevezzük. Mielőtt kifejlesztették az elektromos master-slave rendszereket, az erőhatások realizálására 1952 óta a bilateriális vezérlő master-slave rendszereket alkalmazták. (lásd: 518. ábra) [1] A következő ábra (519. ábra) egy másik hagyományos megközelítést mutat a master-slave rendszer vezérlésének megvalósítására, amit 1954-ben vezettek be [2]. A bilateriális vezérlők kontrollálják mind a master mind pedig a slave pozíciókat.

Erő és pozíció visszacsatolással ellátott konvencionális kétoldalú szabályzó felépítése
5.18. ábra - Erő és pozíció visszacsatolással ellátott konvencionális kétoldalú szabályzó felépítése


Két pozíció szabályozó hurokkal ellátott konvencionális kétoldalú szabályzó felépítése
5.19. ábra - Két pozíció szabályozó hurokkal ellátott konvencionális kétoldalú szabályzó felépítése


Ezeket az alapfelépítéseket gyakran használják új vezérlők tervezése során kiindulási pontként. Három fő probléma és néhány lehetséges megoldás tárgyalása olvasható a továbbiakban.

Nem lineáris skálázás (Virtuális csatlakozó impedanciák)

Az internet alapú telemanipuláció idő késleltetésének kompenzációja

A master eszközben fellépő súrlódási erők kompenzációja

5.5.2. Nem lineáris skálázás (Virtuális csatoló impedanciák)

Alapvetően két esetet különböztetünk meg: lineáris és nem lineáris skálázást. A lineáris skálázás esetében egy megfelelő állandót használnak a slave erő/pozíció és a master erő/pozíció értékek között:

x s (t)= α p x s (t) F s (t)= α f F s (t)

( 5.9 )

ahol xsΦ és FsΦ skálázott értékek, p és f pedig az erő és a pozíció skálázására használt konstansok.

A nem lineáris skálázás esetében, amit nevezünk impedancia skálázásnak is [14], az erőket egymástól függetlenül az erőviszonyaikat a hosszukkal tekintetbe véve skálázzuk, a következőképpen:

x s = α p x s (t) F s = α p 3 M V x ¨ s + α p 2 D V x ˙ s + α p K V x s

( 5.10 )

Itt MV a virtuális tömeg, DV a virtuális viszkozitás és KV a virtuális merevség. Fontos megjegyezni, hogy a skálázási folyamat hasonló a virtuális impedaancia számításához, amit a robot manipulátorokkal foglalkozó területeken alkalmaznak. Az impedanciás skálázás javítja a teljesítményt, különösen amikor a master és a slave méretei vagy szerkezetük különbözőek. A mechanikai méretek összefüggésben állnak a sávszélességgel. Vannak olyan frekvencia és amplitudó tartományok, amik szükségesek a kényelmes manipuláció elvégzésének érdekében. A reakcióerőt ebbe a tartományba kell transzformálni a virtuális impedancia csatolást alkalmazva. Például a micro/nano manipuláció területén a micro/nano aktuátorok reakcióideje valamint a micro/nano környezet túlságosan gyorsak lehetnek az emberi tapintó receptorok számára. A reakcióerőt le kell lassítani, azaz a magas frekvencia komponenseket el kell tolni alacsonyabb frekvencia tartományba a virtuális impedancia csatolást alkalmazva. Látható, hogy az impedanciacsatolás tulajdonképpen úgy viselkedik, mint egy aluláteresztő szűrő: elnyomja a magas frekvencia komponenseket, ami idő késleltetéssel destabilizálja a rendszert. Ezzel szemben viszont ez ellent mond az ideális megjelenés és átláthatóság követelményének. Általában az impedanciás skálázás segíthet elkerülni a instabilitás és a megbízhatatlan erők felmerülésének érzését, viszont ezért a megjelenés és az átláthatóság fokának romlásával kell fizetni.

Az internet alapú telemanipuláció idő késleltetésének kompenzációja

A telemanipuláció hatékonysága sokat fejlődött az elmúlt néhány évben, az Internet alkalmazása pedig új lehetőségeket biztosít a kutatók számára [15]. Az Internet az adatkommunkiáció legfőbb eszköze (51. ábra). Lehetővé teszi, hogy elektronikusan csatlakoztassunk olyan helyeket, amelyek több ezer mérföld távolságban helyezkednek el egymástól. A hálózati technológiát a mobil robotok képességeivel kombinálva az Internet felhasználói felfedezhetnek és fizikailag is kölcsönhatásba kerülhetnek olyan helyekkel amik messze találhatóak tőlük, megteremtve ezzel a lehetőséget az erőforrások megosztására, a távoli kísérletezésre vagy éppen tanulásra. Burgard és munkatársai [16] kifejlesztettek egy interaktív múzeumot, ahol egy robot végzi az idegenvezetést. Simmons [17] bemutatott egy önálló idegenvezető robotot a Carnegie Mellon Egyetemen. Ezek az idegenvezető robotok képesek az akadályok kikerülésére, ön-ellenőrzésre és útvonaltervezésre. A web felhasználók egy böngésző felületen keresztül, mint a Netscape vagy a Microsoft Internet Explorer, irányíthatják a robotot, és az egérrel kiválaszthatják egy térképen a látogatás állomásait. Farzin és Goldberg [18] egy olyan interaktív online kamerarendszert fejlesztett ki, amivel a felhasználók rögzített képekre tudják irányítani a kamera képét. Stein [19] egy olyan robot kart biztosított a felhasználóknak, amellyel egy Java™-alapú felhasználói felületet használva képeket festhettek. Kosuge és társai [20] megalkották a VISIT rendszert, ami predektív stratégiát alkalmaz. Hirukawa and Hara [21] egy olyan robot kart építettek, amellyel műtétekhez lehet asszisztálni távolról, tehát úgynevezett teleoperációt lehet végezni.

A legnagyobb probléma az internet alapú telemanipulációval a változó időbeli késleltetés. TCP/IP (Transport Control Protocol/Internet Protocol) főként interneten keresztüli azonnali adattovábbításra használt, gyakorlatilag egy csomagkapcsolt protokoll. Ez azt jelenti, hogy a feladó csomagokra osztja az adatokat és különállóan küldi el ezeket a csomagokat. A fogadó megpróbálja összegyűjteni az összes csomagot és újraépíteni az eredeti adatot belőlük. Minden esetben keletkezik idő késleltetés amikor a jel A pontból B pontba terjed. Továbbá a változó időkésleltetés immanens karakterisztikája a csomagkapcsolt hálózatoknak. A változó időkésleltetésnek két fő oka lehet: egyrészt a csomagok által megtett út különböző lehet a hálón, másrészt néhány csomag elveszhet. Ebben az esetben a fogadó az elveszett csomagokat újra és újra kéri a feladótól. Az ilyen típpusú késleltetés destabilizálható kétoldalú teleoperátor rendszer használatával. Az időkésleltetésből származó stabilitási problémákat Ferrell fedezte fel, már 1965-ben. Azóta különböző módszerek jelentek meg a szakirodalomban a probléma kezelésére [23], mint például késleltetett modellező és ellenőrző rendszer [24], predektív kijelzők és fejlesztett kezelői felületek [25], közös ellenőrzés [26], impedancia szabályozás [27], vagy például felügyeleti szabályozás [28] kialakítása. Itt egy, az időkésleltetés megszüntetésére kifejlesztett megoldás, név szerint a pozícionálási hibák korrekciójával kiegészített virtuális impedanciacsatolás folyamata [29] került részletes kifejtésre. Ez a típusú szabályozási megközelítés az elenőrzése annak amelyet Otsuka és társai dolgoztak ki [30]. A virtuális impedanciacsatolást mind a kezelői, mind a távoli oldalon alkalmazzák. Egy további pozíció-korrigáló hurkot is alkalmaznak a két távoli hely szinkronizálására. Ez a szabályozási megközelítés, amit a változó időkésleltetés hatásának kompenzálására használniak, szintén megjelenik a csomagkapcsolt számítógépes hálózatoknál, mint a TCP/IP.

5.5.2.1. A Smith Predictor

A Smith Predictor egy klasszikus konfiguráció az időkésleltetés kompenzálására [31]. Legyen a P(s) az elsőrendű szűrő Td időállandóval. A P0(s) a P(s) egy olyan modellje, amelyben az időkésleltetés kiesik

P(s)= e T d s T f s+1 , P 0 (s)= 1 T f s+1

( 5.11 )

A lenti ábrán (5-20. ábra) két hurok látható: a belső hurokban a kompenzáló jel v(t) tartalmaz egy y(t) prediktort. C0(s) egy PID szabályozó.

A Smith Predictros konfigurációja
5.20. ábra - A Smith Predictros konfigurációja


A zárt hurok átviteli függvénye a következő

W(s)= y(s) r(s) = C(s)P(s) 1+C(s)P(s) = C 0 (s)P(s) 1+ C 0 (s) P 0 (s)

( 5.12 )

Fontos megjegyezni, hogy a transzcendentális kifejezés eltűnik a zárt hurok átviteli függvényének karakterisztikus egyenletében. A gyakorlatban, a tökéletes model, P(s) nem ismert, tehát az időkésleltetés hatása teljes mértékben nem szüntethető meg, de a Smih Predictor redukálja annak hatását.

5.5.2.2. Hullámváltozó megközelítés

Ez a megközelítés a passzivitási elméleten alapul [32], ami közeli kapcsolatban álla a Ljapunov-stabilitással. A passzivitási formula az erőnek és az energiának, mint intuitív fizikai fogalmaknak matematikai leírását reprezentálja. A passzivitás mögötti alapötlet az, hogy limitáljuk a bemenő energiaáramot úgy, hogy ne haladja meg a kimenőt. Ha az energiaveszteség nulla, a rendszert veszteségmentesnek nevezzük. Egy egyszerűsített telemanipulációs esetben, a kezelő mozgatja a master eszközt, és annak vm sebessége átadódik a slave eszközre, ami ezáltal arra kényszerül, hogy kövesse a master eszköz mozgását, ideális esetben azzal megegyező, vs= vm sebességgel. A slave eszköz kapcsolódik a távoli környezethez és a reakcióerő Fs visszaadódik a kezelőhöz, aki azzal megegyező Fm=Fs reakcióerőt érzékel. Az 521. ábra egy egyszerű telemanipulációs folyamatot mutat be állandó Td időkésleltetéssel a kommunikációs csatornában, ahol

vs(t)=vm(t-Td)

Fm(t)=Fs(t-Td)

(5.13)

Egyszerű teleoperátor Td
5.21. ábra - Egyszerű teleoperátor Td


Annak érdekében, hogy az időkésleltetés által okozott stabilitási probléma kezelhető legyen, egy kétirányú kommunikációs csatornára van szükség, vagyis a következő jeleket továbbító vezetékre: nyomás típusú hullám wV(t), áramlási sebesség típusú hullám wI(t) és teljesítmény P(x,t)= wV(x,t)wI(x,t), ahol x azt jelöli, hogy a hullámváltozókat azonos helyen kell mérni. A stabil működés érdekében a jelvezetéknek passzívnak kell lennie, a disszipációs energia pedig nem lehet negatív.

0 t P diss (τ)dτ0

( 5.14 )

ahol Pdiss a disszipációs teljesítmény.

A hullámváltozók triviális megválasztása (wI= vm és wV= Fs) nem elégíti ki azt a feltételt, hogy a vezeték passzív legyen, így kiemeli az eredeti probléma forrását. Ha a master eszköz sebesség jelét elküldjük és a slave eszközön fellépő erő jelet visszakapjuk Interneten keresztül, az időkésleltetés destabilizálhatja a telemanipulációs rendszer működését. Annak érdekében, hogy passzív, azaz stabil rendszerhez jussunk, el kell érnünk, hogy a jelvezeték csillapítása és szivárgása növekedjen. Ennek eléréséhez a következő normalizált hullámtranszformáció ajánlott [33]:

w I = b v m + F m 2b , w V = b v s F s 2b

( 5.15 )

a jelvezeték passzívvá és veszteségmentessé válik, ami azt jelenti, hogy a disszipációs energia értéke zérus.

A sebesség és erő jeleket hullámváltozókká kell alakítani a küldés előtt és érkezés után vissza kell őket transzformálni (lásd: 522. ábra). A hullámtranszformációk elvégzésének egy lehetséges módja, hogy a master oldalon a sebsséget közvetlenül visszacsatoljuk az erőhöz, a slave oldalon pedig az erő értékét csatoljuk vissza a sebességhez.

Telemanipuláció hullámváltozókkal
5.22. ábra - Telemanipuláció hullámváltozókkal


A mechanikai impedance meghatározható frekvenciatartományban:

Z(s)= w V (s) w I (s)

( 5.16 )

A [36] hivatkozásnak megfelelően, tökéletes átláthatóságot tökéletes impedanciaillesztés esetén érhetünk el. Ezt úgy értelmezhetjük, hogy a visszavert hullám rontja az átláthatóságot. A jelvezeték végső impedanciája tartalmazza a távoli környezet karakterisztikáját. Ideális átláthatóság eléréséhez a távoli környezet frekvennciaválaszát ismerni kell és a jelvezetéket a teljes frekvenciatartományban módosítani kell. Tulajdoképpen ideális megoldás nem létezik, de számos tanulmány és publikáció tesz javaslatot az optimális megoldás megtalálására.

5.6. Egy teljes alkalmazási példa: Kézfogás az interneten keresztül

Az interneten keresztüli kézfogás a telemanipuláció egy érdekes típusa. [29]. A feladat a világ két távoli pontján lévő ember közti kézfogás megvalósítása. Az egyik a kezelő, a másik pedig a távoli környezet, amely visszahat a kezelő kézmozgására. A master eszköz egy kézformájú eszköz lesz a kezelő kezében, a slave eszköz ezzel megegyező. Amikor a kezelő megfogja a master eszközt (5-23. ábra a és b), az továbbítja ezt a slave eszköz felé mozgás és erő formájában. A slave eszköz átadja ezt a mozgást a távoli környezetnek (a másik személy keze). Ez a személy pedig reakcióerőt működtet a slave eszközre. Ez az információ továbbítódik a kezelő számára a master eszközön keresztül. A kézfogás két, egymástól távoli ember közt fog megvalósulni. A fő kihívás az idő-késleltetés kompenzálása.

Tele-kézfogó eszköz: (a) Fénykép (b) Felépítés
Tele-kézfogó eszköz: (a) Fénykép (b) Felépítés
5.23. ábra - Tele-kézfogó eszköz: (a) Fénykép (b) Felépítés


5.6.1. Virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval

A virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval (Virtual Impedance with Position Error Correction, VIPEC) az impedancia szabályzás alapján működik. Két fő részből áll: egy virtuális impedancia modellből (VI) és egy pozíció hiba korrekciós részből. A virtuális impedancia modell a bemeneti erők és dinamikák alapján generál egy mozgástrajektóriát a manipulátor számára. Az ehhez hozzáadott pozíció hiba korrekciós rész csökkenti a master és a slave pozíciókülönbségét.

5.6.1.1. Virtuális impedancia

Egy egy szabadságfokú lineáris mozgású manipulátor esetén feltesszük, hogy egy virtuális tömeg (Mv) rögzítve van a manipulátor karhoz. Ez a virtuális tömeg egy virtuális csillapításhoz (Dv) és egy virtuális rugóhoz (Kv) kapcsolódik. A VI felépítése a következő ábrán látható (524. ábra):

Egy szabadságfokú lineáris manipulátor virtuális impedanciával
5.24. ábra - Egy szabadságfokú lineáris manipulátor virtuális impedanciával


Amikor egy erőt működtetünk a virtuális tömegre, annak pozíciója a VI dinamikája szerint fog változni. A VI mozgásegyenlete a következő alakú:

F(t) = M v x ¨ (t) + D v x ˙ (t) + K v x(t)

( 5.17 )

ahol F(t) a virtuális tömegre ható erő, x(t) a virtuális tömeg elmozdulása. A VI átviteli függvénye egy másodrendű aluláteresztő szűrőként viselkedik az erő elmozdulássá alakítása folyamán. Ennek következtében az elmozdulás mindig sima, még akkor is, ha az erő tartalmaz magas frekvenciás összetevőket.

5.6.1.2. Pozíció hiba korrekció

Egy VIPEC-et felhasználó idő késleltetéses teleoperátor felépítését ábrázolja az 5-25. ábra. A PEC résszel (szürkére színezett területek) van kiegészítve az eredeti rendszer [30] annak érdekében, hogy a master és slave pozíciók közti hiba csökkentésével javítsa a teleoperátor válaszát.

Virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval egy idő késleltetéses teleoperátor rendszerhez
5.25. ábra - Virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval egy idő késleltetéses teleoperátor rendszerhez


A fenti ábrán (lásd 525. ábra) Fo jelzi a kezelő által a master karra kifejtett erőt, Fe a reakcióerőt, amikor a slave kar érintkezik a környezettel. xm és xmr jelöli a master kar pozícióját és referencia pozícióját. xs és xsr pedig a slave kar ugyanezen paramétereit. Td fejezi ki a késleltetést az adatátvitelben a két oldal között. Af egy skalár mennyiség, amely a slave és master méretarányainak megfelelően változtatható. Mindegyik VI generálja a referencia mozgás trajektóriát mindegyik manipulátor karhoz a következő két erő, a saját oldali erő és a másik oldalról kapott érték összege alapján. Az adatátvitel az egyik oldaltól a másikig Td -vel késik. A referencia mozgás trajektória a VI-ból a szervó vezérlőbe jut, hogy az szabályozza a manipulátor kar pozícióját.

Az irányítási megközelítés eltérő méretű master és slave kar esetén is használható Af és a VI paraméterek megfelelő megválasztásával. Például ha a slave eszköz egy mikro robot, ami kisebb, mint a master.

A VI kezelő oldali mozgásegyenlete:

F o (t) 1 A f F e (t T d )= M v x ¨ mr (t) + D v x ˙ mr (t) + K v x mr (t).

( 5.18 )

A távoli oldalon pedig:

F e (t) A f F o (t T d )= M v x ¨ ms (t) + D v x ˙ ms (t) + K v x ms (t).

( 5.19 )

Af =1 és a két VI paraméterei megegyeznek. Ha a VI paramétereinek meghatározása megfelelő, a rendszer stabil marad. Állandósult állapotban Fo megközelítőleg Fe -vel egyenlő, ha Kv alacsony értékre van állítva, valamint a master és slave pozíciók azonosak. Viszont ha idő késleltetés van a teleoperátorban, a VI PEC rész nélkül pozíció hibát okoz a master és a slave közt, mivel nem történik meg a két pozíció összehasonlítása. Ezen pozícióhiba csökkentésére adják hozzá a PEC részt annak érdekében, hogy zárt hurkú irányítási rendszer alakuljon ki. Így a pozíció hiba csökkenthető. A slave pozíció Td -vel késleltetve jut el a master oldalra, majd a master pozícióval összehasonlítjuk. A két pozíció különbsége áthalad a PEC erősítésen, majd módosítja a master kar referencia mozgás trajektóriáját.

5.6.1.3. A kézfogó berendezés irányítási rendszere

Az 526. ábra a VIPEC megközelítéssel ellátott tele-kézfogó berendezésben lévő master-slave rendszer irányítási blokkvázlatát mutatja. Mindkét motor forgórészének induktivitását (La) elhanyagoljuk. A master és slave blokk ként jelzett két lineáris motor átviteli egyszerű DC-motorokként modellezhető az alábbi átviteli függvénnyel:

C(s)= X(s) E a (s) = K m s( T m s+1) K p ,

( 5.20 )

ahol X és Ea a motor tengely elmozdulás és az armatúra feszültség Laplace-transzformáltjai, Km a motor erősítési állandója, Tm a motor időállandója, a Kp konstans pedig a szögelfordulást konvertálja elmozdulássá.

A kézfogó berendezés szabályzási diagramja
5.26. ábra - A kézfogó berendezés szabályzási diagramja


A szervo szabályzója egy arányos szabályzó G erősítéssel. A manipulátor kar és a szabályzó zárt hurkó átviteli függvénye

M(s)= C(s)G 1+C(s)G = G K p K p T m s 2 + 1 T m s+ G K p K p T m ,

( 5.21 )

P a PEC erősítést jelenti. Az egyszerűség kedvéért a környezet egy Ke rugómerevségű rugóval van modellezve. A rugó és a slave kar kölcsönhatásának dinamikája a következőképp modellezhető:

Fe (t) = Ke xs(t),

(5.22)

ahol xs a rugó elmozdulása. A kezelő dinamikájának közelítése, beleszámítva a kezelő és a master kar kölcsönhatását:

F op (t) F o (t)= M op x ¨ m (t) + D op x ˙ m (t) + K op x m (t).

( 5.23 )

ahol Fop a kezelő izmai által kifejtett erő. Mop, Bop and Kop jelzi a kezelő és a master kar tömegét, csillapításét és rugómerevségét. Az (5.22)-hoz hasonlóan a kezelő elmozdulása (5.23)-ben xm, mivel feltételezzük, hogy a kezelő erősen fogja a master kart és nem engedi el a művelet idejére.

5.6.2. Kísérlet

A tele-kézfogó berendezés használatával két kezelő ember, az A és B kezelők kezet fognak. Amikor az A kezelő próbálja rázni B kezét a kar mozgatásával, az A kar mozgatásával, a slave karnak ugyanúgy kell mozognia, mint ahogyan a master karnak. Ha slave kar érintkezik a B kezelő tenyerével, a kezelő érzi az A kezelő fogási erejét. A B kezelő hasonló módon szintén meg tudja szorítani az A kezelő virtuális kezét. A két kezelő sikeresen kezet fogott és erőt érzett a tele-kézfogó berendezésen kereszül. Az egyszerű VI és a VIPEC módszerek kísérleti eredményeinek összehasonlítása látható a két ábrán (5-27. ábra, 5-28. ábra), az idő késleltetés elhanyagolható. A két módszer közti eltérés nem jelentős. Mindkét esetben megközelítőleg azonos a master és slave eszközök pozíciója. Az 5-28. ábra kísérleti eredményeket mutat400ms-os késleltetés esetén. Mindkét esetben stabil a rendszer, és a kezelők érzik a szorító erőt. Azonban a VIPEC módszer esetén a master és slave eszköz közti pozíció különbség kisebb.

A tele-kézfogó berendezés kísérleti eredményei késleltetés nélküli esetben (a) eredmények VI és PEC esetén
5.27. ábra - A tele-kézfogó berendezés kísérleti eredményei késleltetés nélküli esetben (a) eredmények VI és PEC esetén


A tele-kézfogó berendezés kísérleti eredményei késleltetés nélküli esetben (b) eredmények VIPEC esetén
5.28. ábra - A tele-kézfogó berendezés kísérleti eredményei késleltetés nélküli esetben (b) eredmények VIPEC esetén


A tele-kézfogó berendezés eredményei 400 ms késleltetés mellett (a) eredmények VI-vel, PEC nélkül
5.29. ábra - A tele-kézfogó berendezés eredményei 400 ms késleltetés mellett (a) eredmények VI-vel, PEC nélkül


A tele-kézfogó berendezés eredményei 400 ms késleltetés mellett (b) eredmények VIPEC esetén
5.30. ábra - A tele-kézfogó berendezés eredményei 400 ms késleltetés mellett (b) eredmények VIPEC esetén


5.7. Konklúziók

Az internet alapú telemanipuláció egy viszonylag új és előnyös kutatási terület. Lehetőséget nyújt új és kifinomult irányítási módszerek alkalmazására, melyeknek célja az időkésleltetés és a nemlineáris súrlódási erő kiküszöbölése, ami az egyik fő kihívás ezen a téren. Természetesen a teljes kiküszöbölés lehetetlen, de stabil működést el lehet érni. A tanulmányban bemutattunk egy ígéretes módszert (virtuális impedancia pozíció hiba korrekcióval). A módszer hatékonysága a tele-kézfogó ezköz mérési eredményei által bizonyított.

5.8. Mikromanipulációs rendszerek

Ebben a részben a tele-mikromanipulációs rendszer bemutatását láthatjuk (529. ábra). Mikromanipuláció esetén a mikrokörnyezet képi információinak visszacsatolása általában mikroszkóppal történik. 2D képi információk alapján bonyolult a mikro-objektum manipulálása, ezért slave eszköz 3D animációja (529. ábra bal oldala) nyújt segítséget a kezelő számára. Ebben a rendszerben a master bemeneti eszközt, amelyet a kezelő működtet “haptic interfész”-nek hívják, amely egy 6 szabadságfokú joystick típusú master eszköz (530. ábra). A slave manipulátorokat közvetlenül a manipulációs feladatok elvégzésére használják (531. ábra). A slave manipulátor és a master eszköz rendszerek Ethernet segítségével vannak összekötve, és hálózaton keresztül végzik a teleoperációt.

A mikro telemanipuláció felépítése
5.31. ábra - A mikro telemanipuláció felépítése


Fénykép a master eszközről
5.32. ábra - Fénykép a master eszközről


Fénykép a slave eszközről
5.33. ábra - Fénykép a slave eszközről


5.8.1. A master eszköz

A master és a slave eszköz felépítésének meg kell egyeznie. A párhuzamos szegmensű felépítés munkatere kicsi, ami nem kényelmes a kezelő számára. Ezért a nagy munkatér eléréséhez egy soros szegmensű struktúrát alkalmazunk annak ellenére, hogy ezáltal csökken a pontosság és a merevség. A master egység 3 lineáris szervo motorja 3 tengely (X, Y, Z) irányú párhuzamos mozgást tesz lehetővé, 3 AC szervo motor pedig a tengelyek körüli (, , ) elfordulást valósít meg (530. ábra). Ez a slave eszköz mind a 6 szabadságfokát biztosítja. A kezelő kezében tartja a master-rudat, amit mozgatni és forgatni tud. A munkatér 340mmx340mmx340mm a lineáris mozgás tekintetében, a forgatás pedig +/- 15 fokos szögben lehetséges minden tengely mentén. Minden szabadságfok erő visszajelzéssel rendelkezik.

5.8.2. A slave eszköz

Slave eszközként egy párhuzamos szegmensű, 6 szabadságfokú manipulátort [13, 14, 15] fejlesztettek ki (531. ábra). Általában a párhuzamos szegmensű felépítés kedvező tulajdonságai a precizitás és a merevség, azonban kis munkatérrel rendelkezik. Ez a struktúra megfelelő a precíz manipulációhoz. 3 szabadságfoka van az X, Y, Z lineáris mozgás megvalósításához, valamint 3 a tengelyek körüli forgatáshoz. A munkatere majdnem 30mmx30mmx30mm, +/- 15 fok forgatási lehetőséggel. A pozícionálási pontosság 10m. Különbözik a jól ismert Stewart Platform struktúrától [15], újfajta felépítése van: Hat szegmense van, amelyek függőlegesen indulnak az alapból, amely tágulásra és összehúzódásra képes. Minden két szegmens a hat közül egy alszegmenssel eggyé kapcsolódik össze. Végül a végberendezés lemez 3 ponton van felfogatva (részletek: [13]). A manipulátort egy PC irányítja (dual Pentium III 500MHz). Az operációs rendszer Real Time Linux (RT-Linux), hogy 2.5kHz-es mintavételezésű szabályzás legyen megvalósítható. A motor ki- és bemenete, az enkóder, az erőmérő szenzor AD, DA, számláló, valamint DIO kártyákkal van csatlakoztatva egy kiterjesztett buszhoz. Az aktuátor 6 AC szervo motorral van megoldva, amelyek 1mm menetemelkedésű golyósorsókhoz csatlakoznak. Ennek a struktúrának a fő hátránya a komplex kinematika és dinamika szinguláris pontokkal, amint az [13]-ban is olvasható.