Please use this identifier to cite or link to this item: http://hdl.handle.net/11527/15605
Title: Sanal Staublı Rx160 Manipülatörün Phantom Premıum Haptıc Cihaz İle Kontrolü
Other Titles: Control Of Virtual Staubli Rx160 Manipulator By Phantom Premium Haptic Device
Authors: Bayraktaroğlu, Zeki Yağız
Gören, Aykut
10041677
Mekatronik Mühendisliği
Mechatronics Engineering
Keywords: Robotik
Haptics
Sanal Gerçeklik
Robotic
Haptics
Virtual Reality
Issue Date: 25-Jun-2014
Publisher: Fen Bilimleri Enstitüsü
Institute of Science and Technology
Abstract: Robotlar çeşitli amaçlarla çok farklı uygulama alanlarında kullanılabilmektedirler. Bu nedenle robotlar için çok çeşitli görevler tanımlanabilir. Bu karmaşık görevleri yerine getirebilmek için, robotların akıllı sistemler olmaları gerekmektedir. Robotları daha fazla akıllı hale getirebilmek sürekli olarak geliştirilebilir bir alandır ve bunu gerçekleştirmenin etkin yollarından biri robot algılarını geliştirmektir. Bu bağlamda, robot algılarının robotik bir uygulamaya entegre edilmesi bu tezin amaçlarından birisidir. Haptics dokunsal ve/veya kinestetik duyuların insan-bilgisayar etkileşimine dahil edilmesi bilimidir. Hem ticari hem de bilimsel araştırmalarda geniş bir yelpazede uygulamalara sahiptir. Bu uygulama alanlarından bazıları şunlardır: Sanal gerçeklik, robotik kontrol, medikal, ameliyat ve diş ile ilgili simülasyonlar gibi eğitim simülasyonları, sanal montaj, çarpışma algılama, moleküler modelleme, SEM (Sonlu Elemanlar Metodu) uygulamaları, nano manipülasyon, eğlence ve oyun, nükleer ve tehlikeli uygulamalar için uzaktan manipülasyon ve 3 boyutlu modelleme. Bu tezde, Phantom Premium 1.5 High Force 6 DOF haptic cihaz kullanılarak Staubli RX160 manipülatörün 3 serbestlik dereceli sanal modeli ile etkileşim sağlayabilen bir yazılım geliştirilmiştir. Kullanıcı haptic arayüz noktasını hareketlendirerek sistem için pozisyon, hız ve ivme girdisi oluşturmaktadır. Geliştirilen algoritma ile, bu girdiler kullanarak kullanıcıya geri besleme olarak kuvvet ve sanal robot görsel hareketi uygulanmaktadır. Kuvvet geri beslemesi Staubli manipülatörün oluşturulan dinamik modeli aracılığı ile hesaplanmaktadır. Görsel geri besleme ise 3 serbestlik dereceli Staubli RX160 için geliştirilen hareket algoritması tarafından heaplanmaktadır.  Geliştirilen yazılım açık kaynak kodlu bir yazılımdır ve konu ile ilgili yapılacak yeni çalışmalara entegre edilebilmesine imkan sağlamaktadır. Gerçek robot davranışlarının ilk aşama olarak, sanal ortamda simüle edilmesi, gerçek robotlar ile yapılan deneyler esnasında oluşabilecek hasarların test ve algoritma geliştirme aşamalarında fark edilip önlenmesi açısından önem taşımaktadır. Ayrıca, ilk aşama olarak uygulamaların sanal ortamda geliştirilmesi harcanacak enerji ve zaman açılarından da tasarruf sağlamaktadır. Bu doğrultuda Staubli manipülatör ve Phantom haptic cihaz ile ilgili yapılacak çalışmaların sanal ortamda simüle edilmesi, bu tezin hedeflerinden birini oluşturmaktadır.   Programlama aşamasında, C/C++ programlama dili temeline dayanan OpenHaptics yazılım geliştirme kiti kullanılmıştır. OpenHaptics QuickHaptics micro API, HLAPI ve HDAPI olmak üzere 3 UPA’ya (Uygulama Programlama Arayüzü) sahiptir. QuickHaptics micro API, az sayıda kod ile hızlı bir şekilde temel uygulamaların geliştirilmesinde kolaylıklar sağlamaktadır. HLAPI, grafiksel olarak ileri uygulamalar geliştirilmesinde avantajlar sağlamaktadır. HDAPI ise doğrudan motor ve enkoderlerin kullanılması ve direk kuvvet ve tork yüklemeleri gibi kontrol algoritmaları ile çalışılacak ileri seviyede çalışmalarda avantajlar sağlamaktadır. Bu çalışmada, her bir UPA’nın avantajlarından faydalanmak amacı ile 3 UPA da kullanılmıştır. Sanal robot hareketlerinin kullanıcıya görsel geri besleme olarak sağlanması için bir görsel arayüz tasarlanmıştır. Tasarlanan görsel arayüz, içerisinde Staubli RX160 manipülatörün katı modelinin konumlandığı sanal bir ortamı göstermektedir. Oluşturulan sanal ortam ve görsel arayüz OpenGL UPA temeline dayanan OpenHaptics komutları kullanılarak geliştirilmiştir. Uygulamada, kullanıcı haptic arayüz noktasını hareket ettirmekte ve bir pozisyon değişimi oluşmaktadır. Gerçekleşen bu pozisyon değişimi ile, zaman dikkate alınarak doğrusal hız ve ivme değerleri hesaplanmaktadır. Daha sonra, bu pozisyon, hız ve ivme değerleri kullanılarak haptic rendering algoritması 3 serbestlik dereceli sanal Staubli manipülatörün dinamik modelinin sonuçlanan kuvvetlerini hesaplamakta ve grafik rendering algoritması sanal Staubli manipülatörün sanal ortamda sonuçlanan hareketini hesaplamaktadır.  Staubli RX 160 manipülatörün gerçek boyutlu katı modelleri Staubli tarafından .stp dosya uzantılı olarak sağlanmıştır. Sanal uzaya bu parçalar .3ds dosya formatına çevrilerek alınmıştır. Sanal uzayda uzuvlar birbirinden bağımsız parçalar olarak konumlanmakta ve hareket etmektedirler. 3 serbestlik dereceli sanal Staubli manipülatör uzuvlarının sanal ortamdaki koordine hareketinin elde edilmesi için robot uzuvları ile bir hiyerarşik model oluşturulmuştur. Daha sonra, sanal modelin sanal uzayda hareketi için, oluşturulan hiyerarşiyi dikkate alarak, her bir uzvun ve eklem koordinat sistemlerinin dönmelerini yinelemeli olarak hesaplayan ve uzuv katı modellerini hareketlendiren bir hareket algoritması geliştirilmiştir. Bu algoritma, sanal Staubli manipülatör uzuvlarının sanal ortamdaki konum ve eksen bilgilerini elde etmek için 3 serbestlik dereceli Staubli manipülatörün çözülen geometrik modelini ve katı modellerin hareketi için OpenHaptics komutlarını kullanmaktadır.  İnsan için dokunsal algı frekansı 1000 Hz ve görsel algı frekansı 30 Hz civarındadır. Bu nedenle, kullanıcıda oluşan gerçeklik hissinin sağlanması için, haptic rendering algoritması çalışma frekansı 1000 Hz, grafik rendering algoritması çalışma frekansı 30 Hz olarak belirlenmiştir. Geliştirilen yazılımda, bu iki algoritma OpenHaptics UPA’larından faydalanılarak farklı iş parçacıklarında, parelel olarak koşacak şekilde programlanmıştır. Böylece, kullanıcıya uygulanacak kuvvet geri beslemeleri saniyede 1000 defa hesaplanarak kullanıcıya uygulanmaktadır. Sanal modelin hareketi ise saniyede 30 defa hesaplanmakta ve arayüzde saniyede 30 kare yenilenmektedir. Uygulanan bu iki ayrı frekans sayesinde kullanıcı, aslında ayrık zamanda gerçekleştirilen uygulamayı sürekli olarak hissediyor olmaktadır. Staubli manipulator için, haptic device tarafından konum kontrolünün sağlanacağı bir sanal uç işlevci ekipmanı tasarlanmış ve sanal ortamda Staubli manipülatörün flanşına eklenmiştir. Staubli RX160 manipülatörün ilk 3 serbestlik derecesi robotun çalışma uzayının büyük kısmına erişimini ve son 3 serbestlik derecesi uç işlevcinin yönelimini sağlamaktadır. Bu çalışmada, Staubli RX160 manipülatörün ilk 3 serbestlik derecesi modellenmiştir. Uygulamada Staubli manipulatörün son 4 uzvu ve tasarlanan uç ekipman tek bir uzuv gibi hareket etmektedir ve böylece yönelim açıları devre dışı bırakılmıştır. Staubli RX160 manipülatör için geometrik, ters geometrik, kinematik, ters kinematik, statik, dinamik ve ters dinamik modelleri çözülmüştür. Staubli RX160 manipülatörün ikinci uzvu yay denge sistemi ile donatılmıştır ve bu model Staubli tarafından sağlanmıştır. Dinamik ve ters dinamik model bu yay modelini ve eklem sürtünme modellerini içermektedir. Haptic arayüz noktasının pozisyon değişimi belirli bir bir katsayı ile ölçeklendirilerek Staubli manipülatörün uç işlevcisinin pozisyon değişimine dönüştürülmektedir. Daha sonra, 3 serbestlik dereceli sanal Staubli manipülatör dinamik modelinin sonuçlanan kuvvetleri haptic cihaz kuvvet limitleri içerisinde bir aralığa ölçeklenmektedir. Pozisyon ve kuvvet ölçeklendirmeleri uniform olarak, diğer bir deyişle her eksen için aynı oranda gerçekleştirilmiştir. Uygulanan pozisyon ölçeği katsayısı pozisyon kazancını ve kuvvet ölçeği katsayısı kuvvet kazancını ifade etmektedir. Deney aşamasında, uygulama için şartlar belirlenmiştir ve deneyler bu koşullar altında gerçekleştirilmiştir. Bu koşullar farklı hareket yörüngeleri, pozisyon ve kuvvet kazançlarından oluşmaktadır. Deney süresince 3 serbestlik dereceli sanal Staubli manipülatörün uç işlevcisi haptic arayüz noktasını takip etmekte, sonuçlanan görsel geri beslemeler ve kuvvet geri beslemeleri kullanıcıya uygulanmaktadır ve geliştirilen yazılım pozisyon, hız, ivme ve kuvvet bilgilerini kayıt altına almaktadır. Uygulama sonlandırıldığında yazılım bu bilgileri bir dosyaya kaydetmektedir. Yazılımın geliştirilmesinin ardından bu tezde incelenecek deney şartları belirlenmiştir. Öncelikle iki farklı hareket yörüngesi kurgulanmıştır. İlk yörüngede haptic arayüz noktasının x,y ve z eksenlerinde sıralı olarak hareket ettirilmesi planlanmıştır. İkinci yörüngede ise haptic arayüz noktasının x, y ve z eksenlerinde aynı anda hareketini sağlayacak dairesel bir yörünge planlanmıştır. Diğer deney şartları kuvvet ve pozisyon kazançlarının farklı değerleri için deneylerin tekrarlanmasını kapsamaktadır.  Yörüngelerin tasarlanmasından sonra, bu çalışma için uygun olacak şekilde iki adet pozisyon kazancı ve üç adet kuvvet kazancı belirlenmiştir. Tasarlanan her bir yörünge için, iki pozisyon kazancı ve her bir pozisyon kazancı için üç kuvvet kazancı deney şartlarını oluşturmaktadır. Böylece, bu şartlar altında 12 deney gerçekleştirilmiştir.  Belirlenen şartlar için deneyler gerçekleştirilmiş ve sonuçlanan pozisyon, hız, ivme ve kuvvet değerleri zamana bağlı olarak çizdirilerek, grafikler elde edilmiştir. Deney esnasında oluşan pozisyon, hız, ivme ve kuvvet bilgilerinin, x, y ve z eksenlerindeki etkilerinin detaylı olarak incelenebilmesi için grafiklerde, bu bilgilerin x, y ve z eksenlerine izdüşümleri çizdirilmiştir. Aynı sonuçların büyüklük eğrileri ise eklerde verilmiştir. Sonuç olarak, hedeflenen yazılım geliştirilmiş ve çeşitli yörünge, pozisyon ve kuvvet kazançları için deneyler gerçekleştirilmiştir. Daha sonra, uygulanan deney koşulları için sistemin kararlılığı ve gerçeklik hissi incelenmiştir. Sayısal olarak hesaplanan türevlerin ve diğer sayısal hesaplamaların sonuçlarda gürültü ve düzensizliklere neden olduğu gözlemlenmiştir. Genel olarak, pozisyon ve kuvvet kazançlarının azaltılmasının kararlılığı iyileştirdiği fakat kullanıcı tarafından algılanan gerçeklik hissini düşürdüğü, hem sonuçlanan grafiklerden hem de haptic cihaz tarafından kullanıcıya uygulanan kuvvet geri beslemelerinden saptanmıştır. Sonuçları dikkate alarak, sistem kararlılığının iyileştirilmesi ve kuvvet düzensizliklerinin azaltılması amacıyla, çeşitli sinyal işleme filtrelerinin ve yapay zeka algoritmalarının sisteme uygulanması gibi bu çalışmanın geliştirilmesine ve ileriki çalışmalara yönelik öneriler sunulmuştur.
Robots can be used for a variety of purposes in diverse application areas. Therefore, a wide range of tasks can be defined for robots. For satisfying these complicated tasks, robots need to be intelligent. Making robots intelligent is a continuously developable area and one of the effective ways for this purpose is improving the robot sensations. In this context, integrating tactile sensation to a robotic application is one of the objectives of this thesis.   Haptics is the science of incorporating the tactile and/or kinesthetic sensations into the human-computer interaction. It has a broad range of applications in both commercial and scientific researches. Some of these application areas are: Virtual reality, robotic control, teleoperations or telerobotics, rehabilitation, tele-rehabilitation, training simulations such as medical, surgical and dental simulations, virtual assembly, collision detection, molecular modeling, FEM (Finite Element Method) applications, nano manipulation, entertainment and games, remote manipulations for nuclear and hazardeus applications and 3D modeling. In this thesis, a computer software is written to interact with the virtual model of the 3 DOF Staubli RX160 manipulator via Phantom Premium 1.5 High Force 6 DOF haptic device. OpenHaptics SDK which is based on the C/C++ programming language is used for programming. OpenHaptics have 3 APIs: QuickHaptics micro API, HLAPI and HDAPI. All of these 3 APIs are used in this study to take advantage of each API. A visual interface is designed to obtain a visual feedback of the application by using OpenHaptics commands which are based on the OpenGL API.  In the application, human operator moves the haptic interface point and a position change occurs. By using this position change information, the linear velocity and acceleration of the haptic interface point are computed by considering time. Then, using the position change, velocity and acceleration information of the haptic interface point, the haptic rendering algorithm computes the resulting forces of the dynamic model of the virtual 3 DOF Staubli manipulator and the graphics rendering algorithm computes the resulting motion of the virtual Staubli manipulator in virtual environment. Human tactile and visual perception frequencies are approximately 1000 and 30 Hz respectively. Therefore, to obtain the sense of reality that occurs in user, the haptic rendering algorithm and the graphics rendering algorithm operating frequencies are determined as 1000 Hz and 30 Hz respectively. In the developed software, these two algorithms are programmed in seperate threads which run in parallel by utilizing the OpenHaptics APIs. A virtual tool is designed as an end-effector of the Staubli manipulator and placed to the top of the tool flange of the Staubli manipulator. First 3 DOF of Staubli RX160 manipulator provides to access to the major part of its workspace and the last 3 DOF provides the orientation of the end-effector. First 3 DOF of Staubli RX160 are modeled in this study. The geometric, inverse geometric, kinematic, inverse kinematic, static, dynamic and inverse dynamic model of the 3 DOF Staubli RX160 manipulator are derived. Second link of the Staubli RX160 is equipped with a spring ballance system and it is provided by Staubli. The dynamic and inverse dynamic model of the Staubli manipulator include this spring model and the joint friction models. The position change of the haptic interface point is mapped to the position change of the end-effector of the virtual 3 DOF Staubli RX160. Then, the resulting forces of the dynamic model of the virtual 3 DOF Staubli RX160 are mapped to a limited range of force which is inside the Phantom haptic device capabilities. Position and force mappings are uniform, in other words, all the axes are mapped in the same proportion. The position and force scaling coefficients express the position and force gain respectively.  In the experiment stage, some specific conditions are determined and the experiments are realized for these conditions. These conditions consist of diverse motion paths, position gains and force gains. During the experiments, the end-effector of the virtual 3 DOF Staubli RX160 manipulator follows the haptic interface point movement, the resulting visual and force feedback are applied to the human operator and the developed software records the position, velocity, acceleration and force informations. After the application is stopped, the software writes all of the recorded data to a file.   Consequently, the determined experiments are realized and the resulting graphs are plotted. Then, the stability of the system is investigated. Numerical derivations and other numerical computations caused to instability and “force kicking” in the system. Decreasing the position and the force gain improves the stability, however, sense of reality decreases. Considering the results, some suggestions are made to improve the stability and future works.
Description: Tez (Yüksek Lisans) -- İstanbul Teknik Üniversitesi, Fen Bilimleri Enstitüsü, 2014
Thesis (M.Sc.) -- İstanbul Technical University, Institute of Science and Technology, 2014
URI: http://hdl.handle.net/11527/15605
Appears in Collections:Mekatronik Mühendisliği Lisansüstü Programı - Yüksek Lisans

Files in This Item:
File Description SizeFormat 
10041677.pdf18.45 MBAdobe PDFView/Open


Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.