ob-razów poprzez konwersj˛e kolorów na wypukło´sci.
Dotykiem mo˙zna równie˙z sterowa´c tablety i telefony komórkowe. Poniewa˙z ekrany dotykowe w tych urz ˛adzeniach nie oferuj ˛a zmieniaj ˛acej si˛e elastyczno´sci czy te˙z chropowato´sci (u˙zywaj ˛ac jakiego´s przycisku czy nieaktywnego elementu graficznego interfejsu u˙zytkownik normalnie nie czuje ˙zadnej ró˙znicy), dlatego wyposa˙za si˛e je w silniczki generuj ˛ace wibracje odpowiednio do podj˛etej akcji.
Do´s´c wcze´snie interfejsy haptyczne zastosowano w grach komputerowych, a dokładniej mówi ˛ac, w konstrukcjach joystików i kierownic ze sprz˛e˙zeniem siło-wym (ang. force-feedback). Technologia ta pozwalała zasymulowa´c opór stawiany przez prawdziw ˛a kierownic˛e samochodu lub wolant samolotu oraz tworzy´c kon-trolery innych urz ˛adze ´n [1, 2].
Do powa˙zniejszych zastosowa ´n interfejsów haptycznych zalicza si˛e wsparcie wykonywania teleoperacji. Przykładem jest tu technologia sterowania statkiem powietrznym Fly-by-wire. Umo˙zliwia ona przekazywanie stanu poprzez poł ˛ acze-nia niemechaniczne, a w efekcie umo˙zliwia łatwe sterowanie zdalne oraz cz˛e-´sciowe sterowanie poprzez komputer z zachowaniem optymalnych cech sterow-no´sci i stateczsterow-no´sci. W ostatnim czasie mo˙zna te˙z zaobserwowa´c szybki rozwój robotów sterowanych haptycznie stosowanych w medycynie. Przykładem mo˙ze by´c tu projekt ReMeDi, w ramach którego ma powsta´c manipulator umo˙zliwia-j ˛acy zdalne wykonywanie bada ´n palpacyjnych. Sterowanie tym robotem odby-wa´c si˛e ma za po´srednictwem konsoli, która przekazyodby-wa´c ma operuj ˛acemu leka-rzowi reakcj˛e na wywieran ˛a zdalnie przez niego sił˛e.
Interfejs haptyczny – jest to interfejs komunikacji zbudowany dla człowieka,
w którym wykorzystuje si˛e technologie haptyczne. Interfejsy haptyczne na-bieraj ˛a coraz wi˛ekszej popularno´sci, poniewa˙z s ˛a dla ludzi intuicyjne i po-zwalaj ˛a na przekazywanie informacji w sytuacjach, gdy skorzystanie z pozo-stałych zmysłów jest z jakich´s powodów utrudnione.
W praktycznych zastosowaniach wykorzystuje si˛e czujniki sił na efektorze jak te, pokazane na rysunku 7.1. Daj ˛a one co najmniej przyło˙zenie sił zewn˛etrznych w trzech kierunkach przestrzeni kartezja ´nskiej.
7.2. Propozycja wykorzystania sprz˛e˙zenia haptycznego
przy przenoszeniu ładunku d´zwigiem
Obecnie technologia haptyczna nie jest wykorzystywana w budowie przemy-słowych kontrolerów takich urz ˛adze ´n, jak np. d´zwigi lub koparki. Ich operatorzy podczas pracy musz ˛a polega´c jedynie na zmysłach wzroku i słuchu. Wydaje si˛e, ˙ze dodanie sprz˛e˙zenia haptycznego przyniosłoby wiele korzy´sci. Przykładowo: • Dzi˛eki sprz˛e˙zeniu haptycznemu łatwo byłoby wykry´c potencjaln ˛a awari˛e
d´zwigu. Podobnie jak kierowca mo˙ze z łatwo´sci ˛a stwierdzi´c problem z ukła-dem kierowniczym lub zawieszeniem samochodu, tak operator d´zwigu mógłby poczu´c niepoprawne działanie mechanizmu.
Rys. 7.1: Wygl ˛ad trzyosiowego czujnika siły.
• Przekazywanie sił na dr ˛a˙zki steruj ˛ace pozwoliłoby na wyczuwanie bezwładno-´sci i stanu podwieszonych ładunków, np. zahaczenie si˛e podczas podnoszenia, przechył na skutek silniejszych podmuchów wiatru. Dzi˛eki odebranym sygna-łom mo˙zliwa byłaby korekta sterowania lub przerwanie ryzykownych operacji. • Sprz˛e˙zenie czuciowe wbudowane w kontroler mogłoby reagowa´c na zbli˙za-nie si˛e do granic mo˙zliwo´sci danego urz ˛adzenia, np. stawia´c zwi˛ekszaj ˛acy si˛e opór przy próbie podnoszenia coraz to ci˛e˙zszych przedmiotów (w szczególno-´sci opór nie do pokonania).
7.2.1. Podstawy teoretyczne
Na rysunku 7.2 przedstawiono ogólny schemat budowy układu telemanipu-lacji ze sprz˛e˙zeniem haptycznym. Zadajnik otrzymuje od układu wykonawczego (w rozwa˙zanym przypadku – od d´zwigu) informacj˛e z czujnika siły. Przesyłane siły s ˛a przeskalowywane i odzwierciedlane na zadajniku. Dzi˛eki temu u˙zytkow-nik czuje te siły tak, jakby sam trzymał za lin˛e d´zwigu. Poruszaj ˛ac zadajnikiem u˙zytkownik generuje informacje o konfiguracji (poło˙zeniu i orientacji), która jest przenoszona na urz ˛adzenie wykonawcze. W przypadkach granicznych (np. ko-lizji) ko ´ncówka zadajnika nie podda si˛e manipulacjom u˙zytkownika odzwiercie-dlaj ˛ac w ten sposób opór koliduj ˛acego obiektu.
sieã pozycja siùa KOMPUTER STEROWNIK ZADAJNIKA sieã uchwyt zadajnika zadajnik KOMPUTER siùy STEROWNIK MANIPULATORA sieã sterowanie pozycyjne czujnik siùy dêwig sterowanie siùowe pozycja
7.2. Propozycja wykorzystania sprz˛e˙zenia haptycznego Od strony układu wykonawczego zadanie sterowanie sprowadza si˛e do ste-rowania konfiguracji w przestrzeni zadaniowej. Od strony zadajnika problemem jest sterowanie siłowe, zapewniaj ˛ace równowa˙zno´s´c przeskalowanej wypadkowej sił działaj ˛acych na efektor zadajnika i wypadkowej sił otrzymywanych z urz ˛ adze-nia wykonawczego. Uzyskanie takiego efektu wymaga najpierw skompensowaadze-nia sił działaj ˛acych na efektor zadajnika, wynikaj ˛acych z dynamiki tego˙z zadajnika.
Dla przykładu: równanie dynamiki manipulatora sztywnego wyra˙za si˛e wzo-rem:
M (q) ¨q +C (q, ˙q) ˙q + D(q) = u
Kompensacja odbywa si˛e poprzez podanie na wej´scie u momentu wyliczo-nego poprzez rozwi ˛azanie zadania dynamiki odwrotnej:
u = M(q) ¨q +C (q, ˙q) ˙q + D(q)
Przy takim sterowaniu manipulator utrzymuje swoj ˛a pozycj˛e, ale nie stawia oporu próbom zmiany swojej konfiguracji. W celu odtworzenia sił z urz ˛ adze-nia wykonawczego na zadajniku do powy˙zszego równaadze-nia dodaje si˛e człon JTF . Prawo sterowania wygl ˛ada wtedy nast˛epuj ˛aco:
u = M(q) ¨q +C (q, ˙q) ˙q + D(q) + JTF
gdzie J oznacza jakobian zadajnika, a F jest wektorem sił działaj ˛acych na efek-tor urz ˛adzenia wykonawczego. Wi˛ecej szczegółów o modelowaniu i sterowaniu z siłowym sprz˛e˙zeniem zwrotnym mo˙zna znale´z´c w pracy [3].
7.2.2. Zało˙zenia symulacji
Do sprawdzenia zało˙ze ´n teoretycznych dotycz ˛acych implementacji interfej-sów haptycznych potrzebne jest ´srodowiska testowego składaj ˛ace si˛e zasymulo-wanego układu wykonawczego oraz interfejsu umo˙zliwiaj ˛acego podł ˛aczanie za-dajnika lub jego symulatora. Na rysunku 7.3 przedstawiono propozycj˛e schematu takiego ´srodowiska. KOMPUTER STEROWNIK ZADAJNIKA uchwyt zadajnika zadajnik sterowanie siùowe pozycja SYMULATOR poùàczenie TCP/IP pozycja siùa
W symulatorze b˛ed ˛acym egzemplifikacj ˛a tej propozycji ko ´ncówka d´zwiga jest reprezentowana przez punkt. Symulacja za´s umo˙zliwia podjechanie do obiektu, podpi˛ecie go do ko ´ncówki d´zwiga za pomoc ˛a wirtualnej linki oraz wykonanie podstawowych manipulacji.
Poło˙zenia przegubów manipulatora s ˛a uzyskiwane z enkoderów lub innych urz ˛adze ´n pomiarowych. Nast˛epnie s ˛a one przesyłane do komputera, gdzie tra-fiaj ˛a natychmiastowo do symulatora. Powoduje to widoczne zmiany w poło˙zeniu efektora w ´srodowisku wirtualnym. Komunikacja realizowana z wykorzystaniem protokołu TCP/IP.
´Srodowisko wirtualne modeluje zjawiska fizyczne wyst˛epuj ˛ace w prawdziwym ´swiecie. W szczególno´sci s ˛a to zderzenia obiektów oraz siła grawitacji. U˙zytkow-nik porusza si˛e w tym ´srodowisku jedn ˛a brył ˛a (kul ˛a), dostaj ˛ac informacj˛e zwrotn ˛a o siłach działaj ˛acych na t ˛a brył˛e. Siły te s ˛a traktowane tak, jakby były przyło˙zone w jednym punkcie w ´srodku kuli i sumowane wektorowo (co daje sił˛e wypadkow ˛a działaj ˛ac ˛a na efektor – czujnik sił). Wypadkowa siła jest nast˛epnie przesyłana przez poł ˛aczenie TCP-IP do sterownika zadajnika. Sterownik przelicza t˛e sił˛e na momenty steruj ˛ace silnikami robi ˛ac to w taki sposób, aby na uchwycie odtwo-rzona została zadana siła.