傳感器應(yīng)用在觸覺研究的尖端前沿圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)

你曾經(jīng)玩過(guò)一種當(dāng)你偏離賽道時(shí)手柄發(fā)出震動(dòng)警示的電視賽車游戲嗎？如果玩過(guò)，你便已經(jīng)對(duì)觸覺界面有了感觀的認(rèn)識(shí)。觸覺這個(gè)詞來(lái)自希臘語(yǔ)haptikos, 意識(shí)是抓住或感知。通過(guò)觸覺機(jī)器人，用戶可以感覺到遙遠(yuǎn)的或虛擬的環(huán)境。觸覺界面給用戶真實(shí)的觸覺反饋，讓用戶可以感受到那些并非直接接觸的事物。例如，觸覺界面讓你能夠感覺到模擬飛行方向盤的阻力，而觸覺反饋能讓飛行員知道該使多大的力氣。
　　
觸覺研究其中一個(gè)尖端前沿區(qū)域叫做“被動(dòng)觸覺”一般的觸覺界面都是主動(dòng)感知，意思是系統(tǒng)使用電機(jī)和風(fēng)力等動(dòng)力設(shè)備增加用戶感知到的系統(tǒng)作用力。主動(dòng)觸覺系統(tǒng)的風(fēng)險(xiǎn)在于，動(dòng)力設(shè)備可能會(huì)增加過(guò)多的作用力，而傷害到用戶。被動(dòng)觸覺界面設(shè)計(jì)有安全選項(xiàng)，使用被動(dòng)動(dòng)力設(shè)備例如采用磁流變剎車將系統(tǒng)作用力消除，而不是給系統(tǒng)添加作用力。被動(dòng)觸覺界面不僅僅只是安全，也更加節(jié)能。
　　
美國(guó)佐治亞州技術(shù)研究院智能機(jī)器動(dòng)力實(shí)驗(yàn)室（IMDL）的研究人員正在研究被動(dòng)觸覺系統(tǒng)的用途。Wayne Book博士和研究生Benjamin Black正在進(jìn)行的研究，是觀察在額外的安全保障下，被動(dòng)觸覺系統(tǒng)是否在遠(yuǎn)程設(shè)備操作上和主動(dòng)觸覺系統(tǒng)有相同的功效。被動(dòng)觸覺系統(tǒng)的一個(gè)主要局限性在于，設(shè)備無(wú)法被固定在某個(gè)地方。而且與主動(dòng)觸覺系統(tǒng)相反，被動(dòng)動(dòng)力設(shè)備必須指引操作者到期望的地點(diǎn)。Book博士和Black正在嘗試開發(fā)先進(jìn)的被動(dòng)動(dòng)力設(shè)備控制方案來(lái)克服這個(gè)困難。
　　
使用圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法
　　
通過(guò)圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，系統(tǒng)設(shè)計(jì)被分為了幾個(gè)步驟。圖形系統(tǒng)設(shè)計(jì)引入了圖形開發(fā)軟件工具和現(xiàn)成的硬件加快內(nèi)嵌控制設(shè)備的設(shè)計(jì)、塑型和配置進(jìn)度。研究者采用美國(guó)國(guó)家儀器公司LabVIEW圖形軟件開發(fā)平臺(tái)，來(lái)設(shè)計(jì)和模擬觸覺控制系統(tǒng)和遠(yuǎn)程操作通訊。將設(shè)計(jì)的產(chǎn)品配置到實(shí)時(shí)PXI控制及數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，來(lái)對(duì)方案進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試這種方法的優(yōu)勢(shì)在于，Book博士和Black可以避免在配置產(chǎn)品的時(shí)候花費(fèi)精力進(jìn)行低端內(nèi)嵌軟件開發(fā)和個(gè)性化硬件設(shè)計(jì)，而全身心投入到反復(fù)試驗(yàn)和設(shè)計(jì)當(dāng)中。 

        
　　
研究者可以迅速地將他們的主從控制器運(yùn)算法則輸入LabVIEW,然后采用高級(jí)程序界面裝載動(dòng)力設(shè)備和傳感器。通過(guò)采用實(shí)際硬件裝載運(yùn)算法則，他們能夠用真實(shí)的數(shù)據(jù)檢驗(yàn)理論的正確性。圖1顯示了研究員操作從控制器位置的圖形源碼。另外，軟件工具提供了高級(jí)采集界面，比如timed-loop循環(huán)功能。timed-loop循環(huán)是一種LabVIEW程序結(jié)構(gòu)，可采集優(yōu)先權(quán)和多線程細(xì)節(jié)數(shù)據(jù)。通過(guò)這些不同類型的采集方法，工程師和科學(xué)家們可以很容易的在他們的軟件上應(yīng)用多線程功能。這給研究員提供了更多時(shí)間來(lái)完善設(shè)計(jì)的產(chǎn)品，而不用花時(shí)間在低端代碼開發(fā)上。
　　
硬件設(shè)計(jì)配置
　　
研究員給PXI模硬件系統(tǒng)配置軟件運(yùn)算法則。這些系統(tǒng)包括確定性的、實(shí)時(shí)控制器和可接觸試驗(yàn)觸覺設(shè)備傳感器的合適的I/O模塊。采用LabVIEW實(shí)時(shí)模塊，研究員可以將他們的運(yùn)算法則配置到PXI控制器上供無(wú)頭headless操作使用。他們采用即插即用運(yùn)動(dòng)控制模塊來(lái)處理線性從電機(jī)，并采用多功能數(shù)據(jù)采集設(shè)備來(lái)處理定點(diǎn)傳感器。

這項(xiàng)研究的測(cè)試儀器采用了二自由度（DOF）操縱器作為主設(shè)備控制作為從設(shè)備的一自由度（DOF）線性電機(jī)。主從設(shè)備之間沒(méi)有物理連接；取而代之的是，PIX實(shí)時(shí)控制系統(tǒng)與主設(shè)備連接，另外一系統(tǒng)與從設(shè)備連接，如圖2所示。PIX系統(tǒng)1采用了NI LabVIEW上的確定性應(yīng)用程序，可在伽馬力傳感器和主操縱器上的光學(xué)編碼器上讀出來(lái)。研究員采用該數(shù)據(jù)來(lái)確定主設(shè)備位置，并將位置傳送給PXI系統(tǒng)2。
　　
PXI系統(tǒng)2采用主設(shè)備位置作為定點(diǎn)向LabVIEW設(shè)計(jì)的4KHz PD（比例微分）控制器輸出信號(hào)運(yùn)行線性電機(jī)同時(shí)在光學(xué)編碼器上讀出位置數(shù)據(jù)。從設(shè)備受物理結(jié)構(gòu)約束運(yùn)動(dòng)受阻。從設(shè)備位置通過(guò)UDP到PXI系統(tǒng)1被傳回主設(shè)備，將數(shù)據(jù)加載到?jīng)Q定觸覺作用力的控制運(yùn)算法則中，該觸覺作用力應(yīng)被作用在用戶身上，讓他們感知物理約束力的存在。該作用力是由磁流變制動(dòng)器所推動(dòng)的。系統(tǒng)的目的是讓從設(shè)備位置追蹤主設(shè)備位置。
　　
Book博士和Black現(xiàn)在正在通過(guò)使用基于LabVIEW的動(dòng)力系統(tǒng)進(jìn)行模擬試驗(yàn)和深入研究。使用系統(tǒng)識(shí)別技術(shù)，研究員可以利用在仿真和反饋試驗(yàn)中采集的實(shí)際數(shù)據(jù)，建立主設(shè)備和從設(shè)備之間動(dòng)力數(shù)字模擬結(jié)構(gòu)。他們采用結(jié)果不等式結(jié)合LabVIEW仿真模塊，算出了模擬不同控制法則之間反饋的實(shí)時(shí)公式。這個(gè)模擬過(guò)程幫助他們?cè)趯?shí)際應(yīng)用到觸覺設(shè)備生產(chǎn)之前，能更快重復(fù)性地驗(yàn)證法則。
　　
總結(jié)
　　
這個(gè)研究的故事再次表明了現(xiàn)在的科技優(yōu)勢(shì)如何為未來(lái)科技鋪路。采用圖像系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，Book博士和Black利用了內(nèi)嵌開發(fā)民主化的優(yōu)勢(shì)，實(shí)現(xiàn)了突破性的研究。