Using an electronic gyroscope with real-time microcontroller; design and implementation of an impedance type kinesthetic interface with high pose, force and timing fidelity
Elektronik jiroskop ve gerçek zamanlı mikro kontrolcü kullanılarak, yüksek durum, kuvvet ve zamanlama doğruluğuna sahip empedans tipi kinestetik cihazın tasarımı ve gerçekleştirimi
- Tez No: 594434
- Danışmanlar: DR. ÖĞR. ÜYESİ MUSTAFA MERT ANKARALI
- Tez Türü: Yüksek Lisans
- Konular: Elektrik ve Elektronik Mühendisliği, Electrical and Electronics Engineering
- Anahtar Kelimeler: Belirtilmemiş.
- Yıl: 2019
- Dil: İngilizce
- Üniversite: Orta Doğu Teknik Üniversitesi
- Enstitü: Fen Bilimleri Enstitüsü
- Ana Bilim Dalı: Elektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
- Bilim Dalı: Elektrik Elektronik Mühendisliği Bilim Dalı
- Sayfa Sayısı: 112
Özet
Bu tezde, haptik ve diğer robotik alanlarda kullanılmak üzere tek serbestlik dereceli bir kinestetik kuvvet bildirimi verebilen bir arayüzün tasarımı anlatılmaktadır. Geliştirilmiş olan sistem doğrudan tahrik ile kontrol edilmekte olup, bu sayede de mekanik olarak gürbüz (ve üretimi kolay) ve uygun fiyatlıdır. Doğrudan tahrik ile kontrolün sağladığı asıl avantaj, tüm insan-makine arayüzü uygulamalarında dilendiği gibi, eyleyici ve insan hareketi arasındaki aktarımın transparan olmasıdır. Doğrudan tahrikin sebep olduğu asıl zorluk ise efektif ölçüm çözünürlüğünün, çıkrık tahriği benzeri aktarım mekanizmalarına sahip olan sistemlerinkine oranla büyük oranda düşmesidir. Bu hareket çözünürlüğünün düşük olması probleminin önüne geçebilmek maksadıyla, sistemde elcik hareketinin transparan şekilde ölçülmesini sağlayan bir jiroskop kullanılmıştır. Asenkron şekilde gelen kodlayıcı sensör ölçümleri ile senkron şekilde gelen jiroskop ölçümleri, yüksek doğruluklu hareket bilgisi elde edilebilmesi maksadıyla, gömülü bir mikroişlemci üzerinde çalışan istatiki bir birleştirme filtresi ile bir araya getirilmektedir. Bu amaçla, Kalman filtresine dayanan üç farklı birleştirme filtresi geliştirilmiştir. Bu filtrelerden iki tanesi, asenkron kodlayıcı ölçümleri ve senkron jiroskop ölçümlerinden faydalanmaktadır. Bu iki filtreden ilki, klasik sabit hız modeli üzerinde jiroskop ölçümlerinden gözlem parametresi olarak faydalanmaktadır. Diğeri ise, birinci dereceden bir filtre olup; jiroskop ölçümleri bu sistemde, sistemi süren girdi parametresi olarak kullanılmaktadır. Geliştirilmiş olan son filtre ise ikinci dereceden bir filtre olup, hem pozisyon hem de hız kestirimi için kodlayıcıdan faydalanmaktadır. Geliştirilmiş olan filtreler, 400CPR (bir turdaki sayım) çözünürlüğe kadar test edilerek karşılaştırıldılar. Testler sonucunda jiroksop ölçümlerinden faydalanan filtre modellerinin, kestirim doğruluğu konusunda, yalnız kodlayıcıya dayanan filtreden bariz şekilde daha iyi performans verdiği gözlemlendi. Jiroskoptan faydalanan filtreler arasındaysa göze çarpan bir farklılık gözlemlenmedi. Entegre edilmiş sistem, uygun fiyatlı, kesin gerçek zamanlı olarak 1KHz hızda çalışabilen ve yeniden programlanabilir bir sistemdir. Haptik sistemlerin diğer bir önemli özelliği de yeterli yükseklikte bant genişliğine sahip olması gereken tork kontrolünü sağlayan modüldür. Literatürde darbe genişliği modülasyonu ile kontrole dayanan kapalı döngü tork kontrolcüleri bu amaçla çokca kullanılmaktadırlar. Yine de bu tezde, tork komutlarının gerçekleştirimi amacıyla OPAMP ile akım kontrolüne dayanan yüksek bant genişlikli bir kontrolcü tasarlanmıştır. Hazırlanmış olan sürücü, darbe genişliği modülasyonuna dayanan diğer bir sürücü ile tork komutlarının takibi amacıyla karşılaştırılmış ve daha iyi performansa sahip olduğu görülmüştür. Haptik sistemlerin en önemli özelliği, sistemin Z(Empedans) genişliğidir. Z genişliği ölçüm hassasiyetine, örnekleme sıklığına ve kuvvet doğruluğuna bağlıdır. Doğrudan tahrikin sebep olduğu çok düşük hareket çözünürlüğü problemi sebebiyle, birçok haptik sistemde tahrik mekanizmaları kullanılmaktadır. Buna rağmen, geliştirilmiş olan sistem yüksek ölçüm doğruluğu ve kuvvet gerçekleştirimine, 1KHz'lik kesin gerçek zamanlı olarak çalışacak şekilde, doğrudan tahrikin yaratmış olduğu problemlerin üstesinden gelerek ulaşmaktadır. Bu tez ile ortaya konulan yaklaşımın, ileride doğrudan tahrikli olmasına rağmen yine de Z genişliğinden ödün vermeyen çok serbestlik dereceli haptik sistemlerde kullanılabileceği öngörülmektedir.
Özet (Çeviri)
In this thesis, we propose the design of a 1-DOF kinaesthetic (kinesthetic) force feedback interface for haptic and other robotic applications. The developed system is based on direct-drive principle. Thus, it provides a mechanically robust (and easy-to-build), and affordable solution. The major advantage of the direct-drive approach is that the coupling between the actuator and human motion is transparent, a desired feature for human-machine interfaces. The main drawback of a direct-drive actuator interface is that the effective motion measurement resolution is very low compared to other systems that utilize capstan-drive-like mechanisms. To overcome this low motion measurement resolution problem, we used an electronic gyroscope to measure the angular velocity from the hand grip transparently. We integrate the asynchronous encoder and synchronous gyroscope measurements to get high fidelity motion information using a statistical fusion filter implemented on an embedded microcontroller board. We developed three different filters, all based on Kalman estimator. Two of the filters fuse the synchronous gyroscope measurements with the asynchronous encoder measurements. One of the two filters uses a classical second-order constant velocity model where the gyroscope and the encoder measurements are treated as observations/measurements. The latter model is a first-order filter where the gyroscope measurements drive the system from the input terminal. The last filter is also a second order filter where we only use the encoder for both position and velocity estimation. We tested and compared the designed filters on encoders with resolution down to 400CPR. Results show that the filters that utilize the gyroscope measurements substantially outperform the encoder-only solution in terms of estimation precision. We did not observe significant differences between the filters that use the gyroscope. The integrated system provides us 1KHz hard-real-time operation and programmable interfaces for a considerably low cost. Another critical sub-system of an haptic interface is the torque control module whose bandwidth needs to be high enough for accurate impedance control. In the literature, PWM based closed-loop torque control is commonly used for this purpose. However, in this thesis, we designed a high-bandwidth, OPAMP-based current controller for rendering force commands. We compared a PWM based solution with our driving circuit and showed that our force control policy provides a much better torque tracking performance. The most important performance metric of a haptic interface is the Z-width of the system, which directly depends on the measurement accuracy, sampling rate, and the force-fidelity. Due to extremely low effective resolution caused by direct-drive mechanisms, the vast majority of the haptic interfaces uses the capstan-like transmission to satisfy the high Z-width requirements. Indeed, our system achieves high measurement and force rendering accuracy, and a quite fast 1KHz hard-real-time operation, while still enjoying the benefits of a direct drive approach. We believe that our approach in this thesis can be used to design and develop direct-drive based (high DOF) haptic systems with great Z-width performance.
Benzer Tezler
- Pnömatik ve manyetoreolojik silindirli elektronik diz üstü protezlerin tasarımı ve geliştirilen hareket inceleme sistemleri ile karşılaştırılması
Design and comparison of electronic above knee prostheses employing pneumatic and magnetorheological cylinders with developed motion analysis systems
KURTULUŞ ERİNÇ AKDOĞAN
Doktora
Türkçe
2011
Elektrik ve Elektronik MühendisliğiHacettepe ÜniversitesiElektrik-Elektronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DOÇ. DR. ATİLA YILMAZ
- Hava aracı otopilot destek sistemi olarak bir pilot sağlık takip sistemi tasarımı, prototiplenmesi ve entegrasyonu
Design, prototyping and integration of a pilot health monitoring system as a support system for aircraft autopilot
EFKAN YILMAZ
Yüksek Lisans
Türkçe
2020
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiMekatronik Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ RAMAZAN YENİÇERİ
- Bebeğin yaşamsal verilerinin noninvaziv ölçümü ve mobil takip-analiz sistemi tasarımı
Noninvasive measurement of baby's vital datas and mobile monitoring – analysis system design
NADİDE GÜLŞAH GÜLENÇ
Yüksek Lisans
Türkçe
2021
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MESUT KARTAL
- Yönelim çıkarımı için arm tabanlı bir gömülü sistem tasarımı ve gerçeklenmesi
Design and implementation of an arm based embedded system for estimation of the orientation
SÜLEYMAN URMAT
Yüksek Lisans
Türkçe
2015
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiElektronik ve Haberleşme Mühendisliği Ana Bilim Dalı
PROF. DR. MÜŞTAK ERHAN YALÇIN
- Design, modelling and control of a reaction wheel actuated system
Reaksiyon tekeri ile kontrol edilen bir sistemin tasarımı modellenmesi ve kontrolü
RAHMAN BİTİRGEN
Yüksek Lisans
İngilizce
2018
Elektrik ve Elektronik Mühendisliğiİstanbul Teknik ÜniversitesiUçak ve Uzay Mühendisliği Ana Bilim Dalı
DR. ÖĞR. ÜYESİ İSMAİL BAYEZİT