Tesis:
Control architecture for multifinger haptic devices applied to advanced manipulation.
- Autor: BARRIO GRAGERA, Jorge
- Título: Control architecture for multifinger haptic devices applied to advanced manipulation.
- Fecha: 2011
- Materia: Sin materia definida
- Escuela: E.T.S. DE INGENIEROS INDUSTRIALES
- Departamentos: AUTOMATICA, INGENIERIA ELECTRONICA E INFORMATICA INDUSTRIAL
- Acceso electrónico:
- Director/a 1º: ARACIL SANTONJA, Rafael
- Director/a 2º: FERRE PEREZ, Manuel
- Resumen: En los últimos años la tecnología haptica para reflexión de fuerzas ha estado en una continua evolución lo cual ha permitido ir mejorando las prestaciones de los actuales dispositivos, siendo utilizados tanto en el control de robots teleoperados como en la interacción con escenarios virtuales, En la actualidad existen un gran variedad de dispositivos hápticos que permiten interactuar con el entorno a través de un único punto de punto de contacto; pero, el número de dispositivos hápticos que permiten manipular objetos con más de un punto de contacto es muy reducido y en la mayoría de los casos se requiere de un dispositivo mecánico muy complejo y voluminoso. En esta tesis se detalla el diseño de la interfaz háptica multidedo, llamada Master Finger 2, que ofrece la posibilidad de manipular objetos virtuales o remotos con dos puntos de contactos por mano. La interfaz ha sido diseñada para usar los dedos ílldice y pulgar, permitiendo de este modo realizar tareas de agarre. En comparación con otras soluciones existentes, este dispositivo ha sido diseñado para ofrecer un importante espacio de trabajo a través del grado de libertad adicional que tiene en su base. En el presente trabajo se describe de forma detallada las características mecánicas del dispositivo, así como las distintas configuraciones posibles y sus correspondientes espacios de trabajo. El controlador del dispositivo tiene un diseño modular, de forma análoga al diseño mecánico, cuyo módulo básico es el dedo. Cada dedo requiere de un controlador, que está compuesto por la electrónica de instrumentación, electrónica de potencia y un controlador comercial de Xilinx, el cual ofrece acceso a través de Ethernet. Dicho controlador trabaja a nivel de articulación y no a nivel de efector final; es por ello, que para un control del efector final, así como interconectar el dispositivo a entornos virtuales o remotos, se requiere de una arquitectura de control distribuida. Cómo queda se detalla ampliamente en la presente tesis, esta arquitectura permite resolver la cinemática directa y la jacobiana del sistema de forma externa al controlador, en una capa ‘middleware’; ya que estos cálculos no pueden ser resueltos internamente en tiempo real a 1 Khz., frecuencia a la que se cierra los lazos de control. Por otra parte, con el objetivo de estabilizar el sistema durante la interacción con en- tornos virtuales. Se han analizado distintos controladores pasivos que permiten estabilizar el sistema ante las posibles inestabilidades surgidas fruto de las interacciones con objetos excesivamente rígidos; para ello se consideran los controladores: Controladores pasivos en el dominio del tiempo (‘Time-Dornain Passivity Controller’) y el modelado del entorno a través de sistemas basados en puertos-Hamiltonianos (‘Port-Hamiltonian systems’). Adicionalmente son analizados, aquellos controladores pasivos que evitan que el sistema se haga inestable ante la presencia de retrasos en las comunicaciones; hecho que puede ocurrir cuando se manipula un entorno de forma remota; para evitar esta posible situación se han considerado los algoritmos de control: Scattering algorithm y Time-Domain Passivity Controller adaptado a retrasos variables en las comunicaciones; los cuales han sido aplicados a entornos virtuales. Además, con el objetivo de minimizar la existencia de retrasos en las comunicaciones a través de Ethernet, también se ha trabajado en el diseño de un nuevo protocolo adaptado a interacciones hápticas y robóticas denominado BTP (Bilateral Transport Protocol, Protocol de Transporte Bilateral). Este nuevo protocolo trata de evitar la congestión de la red y la perdida de paquetes, que daría origen a inestabilidades en el sistema y deterioro en su rendimiento. La interfaz háptica desarrollada ha sido evaluada en escenarios virtuales, que han permitido la manipulación de objetos, como por ejemplo: un cubo. La presente tesis detalla la arquitectura empleada para la generación de estos escenarios, así como la descripción de sus componentes, entre los que destacan: el servidor de escenario, responsable de implementar el objeto virtual, y el simular gráfico que una muestra representación virtual de la interacción háptica. Para la validación de la interfaz háptica se han desarrollado distintos escenarios y se han realizado distintos experimentos que han permitido valorar el rendimiento del mismo. Además de interaccionar con objetos virtuales, el MasterFinger también se ha empleado para grabar los datos obtenidos al interaccionar con objetos deformables. Estos datos fueron posteriormente procesados por el grupo de Visión por Computador del ETH-Zurich, para la obtención de modelos de estos objetos. Para ello se hizo uso de los algoritmos ‘data-driven techniques’ desarrollados por dicho grupo. Estos modelos fueron empleados para modelar objetos virtuales con las mismas características físicas previamente registradas. Para la reproducción de estos objetos virtuales también se empleó el MasterFinger. Todo este trabajo se ha sido desarrollado dentro del marco del proyecto Europeo IMMERSENCE (FP6 IST-2006-027141) en el que ha participado la UPM en colaboración con otros ocho socios europeos coordinados por la Technischen Universität München (TUM).