WYKRYWANIE KOLIZJI W TELEOPERATORZE Z INTERFEJSEM DOTYKOWYM I SYSTEMEM WIZYJNYM

Transkrypt

1 prof. dr hab. inŝ. Andrzej Milecki, Politechnika Poznańska mgr inŝ. Paweł Bachman, Uniwersytet Zielonogórski mgr Marcin Chciuk, Uniwersytet Zielonogórski WYKRYWANIE KOLIZJI W TELEOPERATORZE Z INTERFEJSEM DOTYKOWYM I SYSTEMEM WIZYJNYM W artykule opisane jest zastosowanie dŝojstika z siłowym sprzęŝeniem zwrotnym do sterowania ramienia robota. Na początku artykułu opisane są przykładowe teleoperatory z systemem wizyjnym. Następnie przedstawiona jest budowa systemu sterowania robota z zastosowaniem trzyosiowego dŝojstika dotykowego z hamulcami magnetoreologicznymi oraz koncepcja sterowania bezprzewodowego w układzie. Końcowa część artykułu stanowi opis badań. COLLISION DETECTION IN TELEOPERATOR WITH THE HAPTIC INTERFACE AND THE VISION SYSTEM The article is aimed to design and testing of joystick with force feedback used in direct, human control of robot arm. The paper starts with the basic description of the built teleoperators with the vision systems. Next, the construction of control system based on three-axis haptic joystick with magnetorheological brakes and conception of wireless control is described. Finally, a research result is presented. 1. SYSTEMY DOTYKOWE UMOśLIWIAJĄCE WYKRYWANIE KOLIZJI System dotykowy wykrywania kolizji robotów moŝe być oparty o siłowe sprzęŝenie zwrotne (ang. force feedback). MoŜe on znaleźć zastosowanie zarówno w przypadku kolizji ramienia robota z przedmiotami w jego otoczeniu, jak teŝ podczas sterowania robotami mobilnymi [1]. Układy teleoperatora z systemem wizyjnym i interfejsem dotykowym wykorzystywane są między innymi w robotach wspomagających chirurgów podczas operacji (rys. 1). a) b) Rys. 1. Urządzenie endoskopowe typu master slave: a) cześć sterująca, b) część robocza [7] Przykładowe systemy sterowania robotów z wykorzystaniem interfejsów dotykowych pokazane są na rys. 2. 1

2 a) The Robot Arm which has 6 freedoms The Robot Arm which has 5 freedoms Force torque sensor PC Pan-tit video camera Intergraph TD-3 Socket communication The Picture of HMD The Picture of VR 3 dimension position sensor b) Data glowe Force feedback device Rys. 2. Zdalne sterowanie robotów z interfejsem dotykowym i systemem wizyjnym: a) sterowanie dwóch ramion robota przy pomocy interfejsu HapticMaster [6], b) sterowanie robotem mobilnym [5] 2. OPIS UKŁADU Z TRZYOSIOWYM DśOJSTIKIEM DOTYKOWYM Z CIECZĄ MAGNETOREOLOGICZNĄ I ROBOTEM ROMIK Układ sterowania robotem Romik był juŝ opisywany w publikacjach [2, 3, 4]. Składa się on z trzyosiowego dŝojstika z cieczą magnetoreologiczną, robota, komputera sterującego oraz układów pośredniczących (wzmacniacze mocy, wzmacniaczy pomiarowych od czujników siły oraz sterowników silników krokowych). Schemat blokowy połączeń układu sterowania pokazany jest na rys. 3. 2

3 Joystick PotX PotY PotZ LX LY LZ High Current Driver Process I/O Boards RT-DAC4/PCI 5V 1V A/I A/O 5V 1V A/I 1 A/O 1 5V 1V A/I 2 A/O 2 ±5V A/I 5 D/O 1 ±5V A/I 4 D/O ±5V A/I 3 D/O 3 B ENC -B D/O 2 A B ENC -A ENC 1-B A ENC 1-A B A ENC 2-B ENC 2-A D/O 5 D/O 4 High Current Driver High Current Driver Robot Romik EncXa EncXb EncYa EncYb Enc Za Enc Zb SX SY SZ Step X Dir X Step Y Dir Y Step Z Dir Z Rys. 3. Schemat blokowy połączeń układu sterowania W porównaniu z poprzednio opisywanym układem wprowadzono następujące zmiany: wymieniono kontrolery silników krokowych, wymieniono elektronikę pomiarową w trzyosiowym układzie pomiaru siły (zrezygnowano z układu mikroprocesorowego na rzecz wzmacniaczy operacyjnych), dodano system wizyjny oparty na kamerze IP. Widok stanowiska pomiarowego przedstawia rys. 4. 3

4 Obraz robota z kamery Komputer sterujący Zasłona ograniczająca widoczność operatorowi Robot Romik DŜojstik dotykowy Przeszkoda 3. WYNIKI POMIARÓW Rys. 4. Widok stanowiska pomiarowego Pomiary wykonywane były w dwóch etapach. Pierwszy składał się z pomiarów sił podczas uderzeń końcówki roboczej robota w przeszkodę w kaŝdej z osi. Na rys. 5a widoczne są przebiegi połoŝenia dŝojstika i ramienia robota, a na rys. 5b przebiegi siły oraz prądu płynącego przez cewkę hamulca magnetoreologicznego. Linią I oznaczony jest moment a) 155 x [imp] x-joy x-rom b) I [ma]; F [N] x-mrb x-siła I Rys. 5. Przebiegi połoŝenia, siły i prądu podczas pomiarów w osi X II 4

5 uderzenia w przeszkodę. Od tej chwili siła w osi X rosła aŝ do momentu, kiedy osiągnęła wartość, powodującą zahamowanie dŝojstika. W tym momencie operator odczuł wyraźny opór i przesunął dŝojstik w przeciwnym kierunku, powodując zmniejszenie siły nacisku robota na przeszkodę (oznaczone linią II). Podobne pomiary wykonano dla kolizji w osi Y oraz Z (rys. 6). y [imp] y-joy y-rom z [imp] z-joy z-rom I [ma]; F [N] y-mrb y-siła I [ma]; F [N] z-mrb z-siła Rys. 6. Przebiegi połoŝenia, siły i prądu podczas pomiarów w osi Y oraz Z W drugim etapie badano jak zmieniają się siły na końcówce roboczej robota podczas przesuwania przedmiotu o masie około 5kg. Wyniki tych pomiarów pokazane są na rys F [N] x-siła y-siła z-siła Rys. 7. Przebiegi siły w osiach X, Y i Z podczas przesuwania przedmiotu 4. KONCEPCJA STEROWANIA BEZPRZEWODOWEGO Układ opisany w artykule był układem przewodowym. Następnym etapem badań będzie jego modyfikacja i wykonanie wersji bezprzewodowej opartej o sieć ZigBee (rys. 8). 5

6 Sterowanie silników PołoŜenie Kamera Wi-Fi moduł AVR RAVEN ZigBee Siła Stopień mocy PołoŜenie Wireless moduł AVR RAVEN ZigBee moduł AVR RAVEN ZigBee module USB STANOWISKO MONITORINGU Prąd DŜojstik STANOWISKO STEROWANIA Rys. 8. Koncepcja sterowania bezprzewodowego Do budowy tego układu zostaną wykorzystane moduły AVR RAVEN ZigBee (rys. 9) Analog input output MCU #1: ATmega329P, User I/O Realtime clock Dispaly On-chip MCU RC Set to 4MHz 2-way async serial comm MCU #2: ATmega1284P, RF Stacks Realtime clock On-chip MCU RC Set to 4MHz 2-way sync serial comm Radio chip AT86RF2332kHz PCB antenna 16 MHz Xtal 32 khz Xtal 32 khz Xtal Rys. 9. Widok zewnętrzny i schemat blokowy modułu AVR RAVEN ZigBee [8] 5. PODSUMOWANIE WYNIKÓW BADAŃ Na podstawie przedstawionych badań widać, Ŝe przy pomocy dŝojstika dotykowego moŝna wykrywać przeszkody znajdujące się w otoczeniu pracującego robota. W przyszłości zostaną przeprowadzone podobne pomiary w bezprzewodowym układzie sterowania. W układzie zostaną teŝ zaimplementowane inteligentne i odporne na zakłócenia algorytmy sterowania. 6

7 LITERATURA [1] Barnes D.P., Counsell M.S., Haptic communication for remote mobile manipulator robot operations, 8th Topical Meeting on Robotics & Remote Systems. Pittsburgh, PA, USA, [2] Chciuk M., Sterowanie ramieniem robota za pomocą wieloosiowego dŝojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną i siłowym sprzęŝeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, 28. [3] Chciuk M., Myszkowski A., Wykorzystanie trzyosiowego dŝojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną i siłowym sprzęŝeniem zwrotnym do sterowania ramionami robota, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, 28. [4] Gawłowicz P., Chciuk M., Bachman P., Robot sterowany trzyosiowym dŝojstikiem dotykowym z cieczą magnetoreologiczną, Pomiary, Automatyka, Robotyka, 29. [5] Mitsou N., Velanas S., Tzafestas C.S., Visuo-Haptic Interface for Teleoperation of Mobile Robot Exploration Tasks, in Proceedings of the 15th IEEE International Symposium on Robot and Human Interactive Communication (RO-MAN'6), University of Hertfordshire, Hatfield, United Kingdom, 26. [6] Takao Horie, Norihiro Abe, Kazuaki Tanaka, Hirokazu Taki, Controlling Two Remote Robot Arms with Direct Instruction using HapticMaster and Vision System, Proc. of The Tenth International Conference on Artificial Reality and Tele-existence, ICAT2, 2. [7] Tavakoli M., Patel R. V., Moallem M., Haptic interaction in robot-assisted endoscopic surgery: a sensorized end-effector, The International Journal of Medical Robotics and Computer Assisted Surgery, 25. [8] Pracę wykonano w ramach projektu badawczego p.t.: "Zastosowanie metod sztucznej inteligencji do nadzorowania pracy urządzeń mechatronicznych z napędami elektrohydraulicznymi sterowanymi bezprzewodowo" nr N N