Georgia Tech développe des matériels haptiques avec NI LabVIEW Real-Time et le PXI

Author(s):
Wayne Book - Georgia Institute of Technology

Industry:
Machines/Mechanics, University/Education, Research

Products:
Data Acquisition, LabVIEW, PXI/CompactPCI, Real-Time Module

The Challenge:
Évaluer des méthodes de téléopération pour des robots maîtres et esclaves.

The Solution:
Utiliser LabVIEW Real-Time et le PXI de National Instruments pour contrôler à la fois un robot maître passif au niveau énergétique et un robot esclave actif, en plus de gérer les communications entre eux deux.

L’haptique, également connue sous le terme de “téléopération à retour de force” essaie de garantir des interactions environnementales via un système robotique. Les utilisateurs simulent ces interactions avec des bras robotisés. En faisant varier la quantité de force que ces matériels haptiques produisent, l’utilisateur peut avoir la sensation d’interfaçage avec le véritable système. Les robots haptiques peuvent être assimilés à des appareils de commande à retour de force, high tech et multidimensionnels, qui sont en fait des parents relativement proches des joysticks et des souris.

Matériels haptiques actifs et passifs
Les matériels haptiques peuvent être passifs ou actifs. La distinction se fait en considérant si l’énergie est ajoutée au système (actif) ou au contraire retirée du système (passif). Les robots haptiques actifs sont donc à rapprocher des moteurs, des actionneurs hydrauliques, ou toute autre forme de vérin qui engendre un mouvement, ajoute de l’énergie ou reflète des forces virtuelles. Contrairement à ces actionneurs, les matériels haptiques passifs ont des freins ou des amortisseurs qui fournissent à l’utilisateur des forces de réaction. Le robot haptique passif ne peut pas forcer un utilisateur dans une direction particulière, il ne peut qu’empêcher ou ralentir son déplacement. L’avantage d’un robot passif comparé à un robot actif est le fait que les pics de force générés par l’environnement virtuel ne peuvent pas endommager l’environnement réel ni nuire à l’utilisateur.

Au laboratoire IMDL (Intelligent Machine Dynamics Laboratory) de l’Institut de Technologie de Georgie, nous utilisons du matériel PXI ainsi que le logiciel LabVIEW Real-Time de National Instruments pour effectuer des recherches sur la téléopération haptique de robots maîtres et esclaves. Nous appliquons le contrôle des systèmes NI PXI à la fois sur les robots maîtres et esclaves avec une communication entre les deux robots en utilisant le protocole de communication UDP Internet supporté nativement par NI LabVIEW Real-Time.
Nous sommes en train d’explorer deux aspects différents de la téléopération haptique. L’un des aspects se focalise sur les effets de la téléopération sur de longues distances via Internet. L’un des avantages à utiliser les outils de National Instruments est la simplicité de transition entre les protocoles de communication TCP/IP et UDP. Ce faisant, il est plus simple de comparer les protocoles sur la même plate-forme dans le même système. Les anciens étudiants de l’IMDL, ainsi que les résultats préliminaires sur du matériel NI, ont prouvé que le protocole de communication UDP s’adapte mieux (en termes de cohérence et de temps de latence) aux applications de contrôle où les facteurs de communication importants sont la haute vitesse et la petite taille des paquets de données transmis.
Le deuxième aspect de la recherche traite des problèmes de contrôle et d’interaction haptique lorsque le robot maître ne peut pas offrir une force de restauration à l’utilisateur. Le maître passif utilisé dans ces expériences est limité par le fait qu’il ne peut pas forcer l’utilisateur dans une direction arbitraire ; il ne peut que guider l’utilisateur avec un système de freinage magnétorhéologique.
L’idée de base est que l’utilisateur est coopératif et qu’il essaie d’effectuer la tâche.
Dans les expériences de téléopération, les plates-formes (système d’exploitation temps réel et plate-forme matérielle) du maître et de l’esclave sont souvent indépendantes. Toutefois, pour plus de simplicité, nous avons choisi d’utiliser les produits NI PXI et LabVIEW Real-Time pour contrôler à la fois le maître et l’esclave. Le contrôle du maître implique la lecture de deux encodeurs en quadrature et d’un capteur de force analogique, puis la commande des forces à l’un des trois ou quatre freins magnétorhéologiques via un amplificateur PWM (modulation à largeur d’impulsion). Il s’agit simplement d’acquérir une entrée de tension analogique et de produire un signal PWM pour le frein. Pour simplifier le contrôle de l’esclave, nous utilisons le contrôleur de moteurs NI PXI-7344. La position cible de l’esclave est mise à jour par le logiciel système via une connexion UDP de sorte qu’il suive la position du maître.


Description de la configuration
Pour contrôler le maître, nous utilisons un contrôleur embarqué NI PXI-8175 sur lequel tourne LabVIEW Real-Time, les fonctionnalités d’E/S du module d’acquisition de données multifonction NI PXI-6070E et de plusieurs modules de sortie analogique haute vitesse PXI-6713. Le système lit l’entrée de force et les deux signaux d’encodeur et envoie les commandes de force aux quatre freins magnétorhéologiques.
Les expériences IMDL précédentes étant limitées par la puissance de calcul, il fallait envisager une transition vers des systèmes plus performants comme le matériel PXI et le logiciel LabVIEW Real-Time de National Instruments. Une fois que nous avons obtenu les fonctionnalités essentielles du maître (lire la position et la force, traduire ces valeurs en un système de coordination x-y global, et envoyer un signal de contrôle aux freins), nous avons étendu la recherche et utilisé le maître pour contrôler un matériel esclave. Nous avons choisi un moteur linéaire comme esclave, pour sa simplicité.
La mise en œuvre du matériel esclave suit le fonctionnement traditionnel d’un moteur et inclut une entrée de tension pour produire une sortie de vitesse. Nous lisons la position en utilisant un encodeur linéaire haute résolution et intégrons un contrôleur PID qui utilise les E/S d’un module d’acquisition de données multifonction PXI-6070E, et tourne sous LabVIEW Real-Time. Le point de consigne du contrôleur est fourni par la position x du maître et communiqué au contrôleur esclave via UDP. Nous avons généré de façon automatique le code de communication UDP via l’Assistant de communication RT et l’avons ensuite optimisé manuellement.

Objectif du projet
L’objectif du projet est d’explorer les problèmes de contrôle occasionnés par l’utilisation d’un maître passif avec un esclave énergétiquement actif. Avec un maître actif, la réaction haptique typique peut transmettre une force à l’utilisateur en fonction de la différence entre la position du maître et celle de l’esclave. Cette force de restauration oblige le matériel haptique actif à suivre la position du matériel esclave. Un matériel haptique passif ne peut pas produire une force de restauration similaire ; il ne peut que résister au mouvement de l’utilisateur. La différence fait de la téléopération haptique un problème de contrôle intéressant. À l’heure actuelle, peu de gens étudient cette facette de l’haptique, et presque n’importe quel algorithme de contrôle représente un progrès dans ce domaine. L’étape suivante est de rechercher des méthodes pour produire effectivement la réaction sur l’utilisateur.
Il existe deux types élémentaires de réaction pour les systèmes haptiques téléopérés dont le retour de force n’est pas mesuré à partir du matériel déporté. Dans le premier ensemble de solutions, le système maître utilise un modèle du système déporté pour calculer les forces virtuelles à retourner à l’utilisateur. Le deuxième groupe de solutions utilise un couplage virtuel entre le maître et l’esclave pour calculer les forces à retourner. Avec un système maître passif, la mise en œuvre du couplage virtuel direct s’avère très difficile parce que les forces ne peuvent s’appliquer que sur l’utilisateur pour s’opposer au mouvement. Ce travail témoigne de progrès importants dans le domaine de la téléopération haptique passive. La configuration de nos matériels et logiciels NI nous a aidé à prototyper rapidement des algorithmes et à produire des résultats très satisfaisants.

Juin 2006

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