將觸覺反饋用於救生設備的遙控救援機器人

十一月 1, 2017
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​美國華盛頓大學電機工程學系的遙控救援機器人:把觸覺反饋用於救生設備
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圖1:遙控系統架構。

美國華盛頓大學電機工程學系的 BioRobotics Lab 深入研究遙控機器人裝置領域,並且針對多種應用探索不同遙控模式和類型的實用度。 其中一個應用就是搜尋和救援操作,透過代理的遙控機器人來取代搜救人員,藉此確保人身安全。 可惜的是,自主性程度仍然不足,無法滿足靈敏且困難的機器人工作需求。 遙控功能可以透過人類的經驗和專業加強機器人控制效能,藉此提高機器人工作品質;透過機械的精確度、穩定性和可重複性,達到人類感知和語義理解能力之間的共同作用。
遙控功能的基本架構包含兩個高階元素: 操作者空間和遠端環境。 在操作者空間內,人類使用者會操控一個主控機器人裝置。 來自操作者空間的指令通常會集中在主控機器人裝置的設定,並且傳送至和遠端環境互動的遠端裝置。 一般來說,遠端環境的相關資訊會顯示給操作人員看。 在災難應變之類的危險情況下,務必要提供最好的操作者介面以便控制遠端環境,藉此保障安全並優化操作效能。 其中包含了提供感測器和機器人狀態資訊,並且使用反饋和輔助通道來優化效能。 其中最重要的遙控模式就是透過觸覺反饋達成雙向遙控,也就是說操作人員提供指令給遠端機器人,並且透過主要裝置接收觸覺反饋(如上方圖 1)。 傳達給操作人員的觸覺反饋則是以遠端裝置的狀態或設定為基礎。
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遠端裝置我們把 KUKA youBot 和 CompactRIO 做為遠端裝置的主要硬體平臺。 youBot 硬體設定包含了一個全向底座,還有一個自由度 (DOF) 為 5 的機器人操控器配備機器手臂。 為了取得遠端環境的相關資訊,我們使用鋁製框架,在 youBot 底座上安裝了一個商用 PrimeSense Carmine RGB-Depth(RGB-D)相機。 此裝置可做為主要的感測器,並且針對一個包含了目標工作空間的體積提供相關的幾何資訊。 我們使用一個 Asus AC 路由器,達到遠端 youBot 和本端主要控制台之間的無線通訊效能。

操作人員的主要控制台使用者會在主要控制台收到視覺反饋,內容是根據 RGB-D 深度資訊、遠端環境的體素化 3D 地圖(圖 2)。 此外也可取得原始的 RGB 串流。 操作期間,務必記錄機器人的設定和狀態。 這時我們使用 LabVIEW 機器人開發(Robotics)模組,藉此記錄 youBot 設定和馬達編碼器的讀數,並且即時顯示給使用者。

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圖 2:3D 體素繪圖功能可提供體積深度資訊給使用者。

如要控制機器人,操作人員可使用羅技(Logitech)的 USB 搖桿把手,把操控指令傳送至 CompactRIO 系統,進而驅動 youBot 的全向底座。 遙控人員會透過 SensAble Technologies PHANTOM Omni 這個主要觸覺裝置來控制 youBot 操控器。 這個裝置會把自由度為 3 的指令傳送至 CompactRIO,以便控制 youBot 的末端執行器位置,並且提供自由度為 3 的動覺力量反饋給使用者。

還有一個導引觸覺虛擬導具可判斷使用者所看到的力量反饋。 這個虛擬導具可推/拉操作人員的手,根據預定的路徑行動。 就此範例而言,此路徑包含了一個 90° 的圓形弧度,以及進入和離開位置(圖 3)。 機器可以精準執行使用者的指令;因此,使用者必須提供有效的路徑,機器人才能順利轉動閥門。 這個導引設備會鼓勵使用者保持這樣的軌道,當使用者指示機器人進入虛擬導具時,就會在開始脫離預設軌道之際收到力量反饋。 這麼做可確保使用者所提供的軌道能夠轉動閥門。 華盛頓大學和 BluHaptics, Inc. 合作開發出這項虛擬導具技術。

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圖3:導引觸覺虛擬導具可確保以安全有效的方式引導使用者完成此路徑並成功轉動閥門。

NI 技術採用 CompactRIO Real-Time 控制器之前,我們試過使用安裝於 youBot 內建電腦中的 youBot ROS 組合來控制 youBot。 再加上 RGB-D 相機的輪詢、壓縮和傳送資訊,不但會延緩速度,還會增加客制化和除錯的難度。 此外,我們還必須處理其他問題,像是逆向動力、馬達接點讀數,還得詳細顯示 youBot 的讀數,藉此達成啟發調整效能。 有時候操控器會抖動,不過最後還是會聚集至所需的設定。 如果沒有感測器/編碼器數值的紀錄和圖形化顯示,就會很難預測問題。

自從實驗過 NI youBot 範例專案之後,期間 NI 也提供了支援服務,我們才發現使用 CompactRIO 控制器即可克服許多問題。 EtherCAT 和 youBot 控制與模擬 VI 的介面是一個靈活的即時解決方案,有助於控制機器人並監測其狀態。 架設控制硬體的過程非常順利,我們可以銜接現有的主要控制軟體和簡單的客制化 UDP 組合。 此外,使用者介面也改良了,可以圖形化顯示感測器讀數並模擬機器人設定,我們則是透過網路發佈的共用變數來實作此項目。 這些 NI 軟硬體解決方案提供了團隊所需的穩定性和初階控制功能,有助於加速設計程序,此外也能夠在系統層級靈活擴充並客制化其他元件。

NI 技術:

  • 可以穩定、即時控制 youBot 操控器,避免抖動情況
  • 可立即顯示機器人接點狀態圖形,以便除錯
  • 針對顯示與監測目的來模擬機器人設定
  • 順暢自動化啟動作業
  • 加速統一遙控機器人系統的設計和建造作業

​有了 NI 技術,我們即可發開出一個遙控系統,並且把觸覺反饋當做智慧型緊急應變系統的關鍵要素之一,參與 2014 年的 SmartAmerica Challenge,這場活動是為了彰顯網宇實體系統的重要性而舉辦的。 我們在華盛頓 DC 展示這項作品,藉此推廣觸覺虛擬導具和遙控機器人針對災難應變可提供的效率和安全特性,進一步保障生命安全。

可​攜​式​學​生​裝​置​是​一​款​多​功​能​的​資​料​擷​取​與​控​制​儀​器,​可​協​助​學​生​隨​時​隨​地​量​測​與​分​析​即​時​訊​號,​並​設​計​實​際​可​用​的​複​雜​系統。
作者資訊:
Howard Jay Chizeck - University of Washington Department of Electrical Engineering 
Kevin Huang – University of Washington Department of Electrical Engineering

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(提供:NI國家儀器)

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