Customer SolutionsGeorgia Tech entwickelt haptische Geräte mithilfe von NI LabVIEW Real-Time und PXI
Author(s):Wayne Book, Georgia Institute of Technology
Industry:Machines/Mechanics, Research, University/Education
Product:LabVIEW Real-Time, PXI/CompactPCI
The Challenge:Untersuchung von Methoden der Teleoperation für Master- und Slave-Roboter
The Solution:Einsatz von LabVIEW Real-Time und PXI von National Instruments zur Steuerung eines passiven Master-Roboters und eines aktiven Slave-Roboters sowie zur gesamten Verwaltung der Kommunikation zwischen beiden Robotern
Die Haptik, auch als Kraftrückkopplung (Force Feedback) bekannt, versucht, einem Robotersystem Interaktionen mit der Umwelt zu ermöglichen. Anwender imitieren diese Interaktionen mit Roboterarmen. Durch Variation der von diesen haptischen Geräten ausgeübten Kraft hat ein Anwender das Gefühl, mit dem eigentlichen System zu interagieren. Ein haptischer Roboter kann als ein mehrdimensionales Hightech-Computereingabegerät mit Kraftrückkopplung angesehen werden, ein relativ naher Verwandter des Joysticks oder der Maus. Aktive und passive haptische Geräte Haptische Geräte können aktiv oder passiv sein. Die Abgrenzung erfolgt dadurch, dass erwägt wird, ob das System Energie aufnimmt (aktiv) oder abgibt (passiv). Aktive haptische Roboter besitzen Gelenke mit Motoren, hydraulische Aktoren oder eine andere Art von Aktor, der Bewegung erzeugt, Energie hinzufügt und virtuelle Kräfte darstellt. Anstelle von Motoren verfügen passive haptische Geräte über Bremsen oder Dämpfer, die dem Anwender Rückkopplungskräfte übermitteln. Ein passiver haptischer Roboter kann den Anwender nicht in eine bestimmte Richtung zwingen – er kann lediglich die vom Anwender ausgeführte Bewegung verhindern oder verlangsamen. Der Vorteil eines passiven Roboters im Vergleich zu einem aktiven Roboter besteht darin, dass Kräftespitzen, die von der virtuellen Umgebung erzeugt werden, der eigentlichen Umgebung oder dem Anwender nicht schaden können. Im Intelligent Machine Dynamics Laboratory (IMDL) am Georgia Institute of Technology werden PXI-Hardware von National Instruments und die Software LabVIEW Real-Time eingesetzt, um die haptische Teleoperation von Master- und Slave-Robotern zu erforschen. NI-PXI-Systeme werden verwendet, um sowohl den Master- als auch den Slave-Roboter zu regeln. Für die Kommunikation zwischen den beiden Robotern wird das nativ in NI LabVIEW Real-Time vorhandene Kommunikationsprotokoll im Internet UDP (User Datagram Protocol) benutzt. Es werden zwei unterschiedliche Aspekte der haptischen Teleoperation untersucht. Ein Aspekt konzentriert sich auf die Funktionalität der Teleoperation über große Entfernungen über das Internet. Ein Vorteil beim Einsatz von Werkzeugen von National Instruments ist der einfache Übergang zwischen den Kommunikationsprotokollen im Internet TCP/IP und UDP. Dadurch ist ein Vergleich der Protokolle auf derselben Plattform innerhalb desselben Systems sehr einfach. Erfahrungen früherer IMDL-Studenten sowie vorläufige Resultate mit NI-Hardware haben gezeigt, dass sich das Kommunikationsprotokoll UDP besser (verbesserte Konsistenz und verringerte Zeitverzögerung) für Steuerungs- und Regelungsanwendungen eignet, wenn geringe Paketgröße und hohe Geschwindigkeit die wichtigen Kommunikationsfaktoren sind. Der zweite Aspekt der Forschung befasst sich mit den Problemen der Steuerung und der haptischen Interaktion, wenn der Master-Roboter dem Anwender keine Rückstellkraft bereitstellen kann. Der passive Master-Roboter, der in den Experimenten verwendet wurde, ist dahingehend eingeschränkt, dass er den Anwender nicht in eine entgegensetzte Richtung zwingen kann. Stattdessen kann er den Anwender nur mit einem magnetorheologischen Bremssystem führen. Es wird davon ausgegangen, dass der Anwender kooperativ ist und versucht, die Aufgabe zu vollenden. Bei einem Teleoperationsexperiment sind die Plattformen (Echtzeitbetriebssystem und Hardwareplattform) des Master- und des Slave-Roboters oft voneinander unabhängig. Aus Gründen der Einfachheit wurde mithilfe von NI PXI und LabVIEW Real-Time eine Lösung entwickelt, die sowohl den Master als auch den Slave steuert. Die Anwendung umfasst auf Seiten des Masters das Lesen zweier Inkrementaldrehgeber und eines analogen Kraftsensors, und die Steuerung von drei bzw. vier magnetorheologischen Bremsen über einen Pulsweitenmodulationsverstärker. Hierbei wird ein analoger Spannungseingang erfasst und ein Pulsweitenmodulationssignal für die Bremse erzeugt. Um die Steuerung des Slave-Roboters zu vereinfachen, wurde das Motorensteuerungsgerät NI PXI-7344 eingesetzt. Die Zielposition des Slaves wird durch die Systemsoftware über eine UDP-Verbindung aktualisiert, so dass sie der Position des Masters folgt. Beschreibung der Einrichtung Um den Master zu steuern, wird der Controller NI PXI-8175 benutzt, der das Betriebssystem LabVIEW Real-Time ausführt, welches die I/O-Funktionen des Multifunktions-Datenerfassungsmoduls NI PXI-6070E und der Hochgeschwindigkeits-Analogausgangsmodule PXI-6713 nutzt. Das System liest Krafteingangs- und zwei Encodersignale und erzeugt ein Pulsweitenmodulationssignal für die vier magnetorheologischen Bremsen. Frühere IMDL-Experimente waren durch die Rechenleistung beschränkt, weshalb ein Wechsel auf leistungsfähigere Systeme wie die PXI-Hardware und die Software LabVIEW Real-Time von National Instruments veranlasst wurde. Nachdem grundlegende Funktionen des Master-Roboters erreicht waren, wurde die Forschung ausgeweitet und der Master zur Steuerung eines Slave-Geräts eingesetzt. Für den Slave-Roboter wurde aufgrund der Einfachheit ein Linearmotor gewählt. Die Implementierung der Anwendung zur Steuerung des Slave-Geräts folgt der typischen Arbeitsweise eines Motors und beinhaltet einen Spannungseingang und eine Geschwindigkeitsausgabe. Die Position wird mithilfe eines Linearencoders mit sehr hoher Auflösung gelesen, und es wurde ein PID-Regler in LabVIEWReal-Time implementiert, der auf dem Controller NI PXI-8145RT unter Verwendung eines Multifunktions-Datenerfassungsmoduls für I/O PXI-6070E ausgeführt wird. Der Grenzwert für den Controller wird durch die X-Position des Masters bereitgestellt und via UDP an den Slave-Roboter übermittelt. Der UDP-Kommunikationscode wird automatisch mithilfe des RT Communication Wizard erzeugt und später manuell optimiert. Zielsetzung des Projekts Die Zielsetzung des Projekts besteht darin, die Steuerungsprobleme zu untersuchen, die durch den Einsatz eines passiven Master-Roboters mit einem aktiven Slave-Roboter hervorgerufen werden. Mit einem aktiven Master kann die haptische Rückkopplung gewöhnlich eine Kraft an den Anwender übertragen, die auf dem Unterschied zwischen der Position des Masters und der Position des Slaves beruht. Diese Rückstellkraft sorgt dafür, dass das aktive haptische Gerät die Position des Slave-Geräts verfolgt. Ein passives haptisches Gerät kann eine solche Rückstellkraft nicht erzeugen. Es kann nur der Bewegung des Anwenders entgegenwirken. Aufgrund dieses Unterschieds ist die haptische Teleoperation ein interessantes Steuerungsproblem. Derzeit wird diese Facette der Haptik nur von wenigen Personen untersucht und fast jeder Steuer- und Regelalgorithmus repräsentiert einen Fortschritt auf diesem Gebiet. Der nächste Schritt besteht darin, Methoden zu untersuchen, die dem Anwender Rückmeldung liefern. Es existieren zwei grundlegende Arten der Rückmeldung für ferngesteuerte haptische Systeme, bei denen keine Kraftrückkopplung als Messgröße des dezentralen Geräts vorhanden ist. Bei der ersten Gruppe von Lösungen verwendet das System des Master-Roboters ein Modell des dezentralen Systems, um virtuelle Kräfte zu berechnen, die an den Anwender rückgekoppelt werden. Bei der zweiten Gruppe von Lösungen wird eine virtuelle Kopplung zwischen dem Master und dem Slave genutzt, um die rückzukoppelnden Kräfte zu berechnen. Bei einem passiven Master-System ist die Implementierung einer direkten virtuellen Kopplung sehr schwierig, da Kräfte nur an den Anwender übermittelt werden können, um Bewegung entgegenzuwirken. Die derzeitige Arbeit zeigt große Fortschritte im Bereich der passiven haptischen Teleoperation. Das Setup mit NI-Hard- und -Software hat dazu beigetragen, zügig Prototypen von Algorithmen erstellen zu können und hat sehr gute Resultate hervorgebracht. Weitere Informationen erhalten Sie über: Wayne Book Georgia Institute of Technology, USA Tel.: +1 404-894-3247 Fax: +1-404-894-8496 E-Mail: wayne.book@me.gatech.edu
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