3次元座標計測システムとリンクしたデータ集録システムの開発

Author(s):
株式会社 中央電機計器製作所 - 浪越 幹司氏

Industry:
Life Science

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

The Challenge:
① 本システムの使用目的は制御ロジックの開発である事から、制御ロジックは容易に検討および変更可能なことが求められました。 ② 3次元座標計測システムはWindowsベースで動作するスタンドアロンのシステムでしたので、そこからネットワーク経由で3次元座標データを取得する必要がありました。 ③ リアルタイムのフィードバック制御を行うシステムとしての依頼でしたが、3次元座標計測システムのデータは、3次元座標計測システムの仕様上、およびWindowsとネットワーク経由の取得であることから、遅延することが予測できたため、それを考慮して制御する必要がありました。

The Solution:
ハードウェア構成としてはNI社製PXIシャーシにコントローラ（NI PXI-8196）、データ集録ボード（NI PXI-6259）を用いました。

背景
内部に作動装置を持つ膝下以下の義足（「下肢支援ロボット」：以下「ロボット」）の開発に際して、作動装置の制御ロジックを開発・評価するためのシステム製作の依頼を受け、その開発に臨みました。制御ロジックを開発・評価するにあたって、ロボット本体に取り付けられた各種センサの情報のみでは情報量が少なく開発に困難が予想される為、3次元座標計測システム（モーションキャプチャ）を用いてロボット装着者の動作・姿勢を取込み、その3次元座標データと、ロボット本体の各種センサ（電圧値）のデータをリンクさせ、それらのデータを用いて作動装置をリアルタイムで制御し、それをモニタできる事がシステムの要件でした。

課題
① 本システムの使用目的は制御ロジックの開発である事から、制御ロジックは容易に検討および変更可能なことが求められました。
② 3次元座標計測システムはWindowsベースで動作するスタンドアロンのシステムでしたので、そこからネットワーク経由で3次元座標データを取得する必要がありました。
③ リアルタイムのフィードバック制御を行うシステムとしての依頼でしたが、3次元座標計測システムのデータは、3次元座標計測システムの仕様上、およびWindowsとネットワーク経由の取得であることから、遅延することが予測できたため、それを考慮して制御する必要がありました。

ソリューション
1. システム構成
ハードウェア構成としてはNI社製PXIシャーシにコントローラ（NI PXI-8196）、データ集録ボード（NI PXI-6259）を用いました。PXI 上ではLabVIEW Real-Timeにてプログラムを実行し、データ集録ボードをハードウェアタイミング1ポイント集録モードで動作させフィードバック制御を行います。なお、データ集録ボードは外部サンプリングクロックで動作するように設定し、3次元座標計測システムの同期信号に同期して動作させます。

2. 結果
課題①についてはPID制御の考え方を応用し、すべてのデータを1つのサブVIに集め、そのサブVI内でフィードバック制御のロジックを組むようにする事で容易に解決しました。課題②については3次元座標計測システムの開発元が提供しているライブラリを用いてデータを取得し、それをReal-Timeシステムに転送することとしました。ライブラリは外部関数を取り込んで動作する構造となっていたので、3次元座標データの取得には別途ラッパーDLLを開発しました。

課題③については、Windowsやネットワークなど確定性のない要素が含まれているため、あらかじめ3次元座標計測システムから、LabVIEW Real-Timeシステムまでのデータ転送の遅れを計測し、3次元座標データについて常に一定量遅れるように管理することで、安定した制御ができるようにしました。

まとめ
システム開発途上においてセンサ信号の仕様の変更が検討されましたが、データ集録ボードに、多機能なマルチファンクションボードを選択しておくことにより、様々な信号に柔軟に対応することが可能となり、仕様の変更に妨げられることなくシステムの開発を進めることができました。フィードバック制御の演算部を1つのサブV I内に置くことによって、他の部分が影響されること無く、システムの開発が可能です。また、演算部についてもLabVIEWの直観的に理解できるソースコードとなる為、多くの人によって、様々なトライが可能となっています。

 

 

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浪越 幹司氏

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