kursus komputer The Wing adalah perangkat kontrol 6-sumbu yang menggabungkan kontrol tiga dimensi (3D) penuh dengan presisi dari laser mouse.
Hal ini dirancang untuk memenuhi tuntutan kontrol dari Kendaraan Udara Yang Tidak Dikemudikan (UAV atau drone), Kendaraan yang Dioperasikan dari Jarak Jauh (ROVs), manipulasi jarak jauh, perangkat lunak Computer Aided Design (CAD), Virtual Reality, dan simulasi atau perangkat lunak pelatihan. Penggunaan saat ini termasuk kontrol UAV dan perangkat lunak CAD. Dokumen ini membahas bagaimana itu bisa digunakan untuk teleoperation dari lengan manipulator.
Joystick standar biasanya digunakan sebagai input manual untuk teleoperation, namun pendekatan ini tidak terlalu intuitif dan tidak cocok untuk tugas tersebut. Solusi master-slave, sarung tangan virtual reality, atau kontrol gerakan memang menawarkan peningkatan tingkat ketangkasan tetapi mereka kompleks, mahal, dan sering menyebabkan kelelahan operator yang berlebihan.
Pendekatan alternatif disarankan di sini melibatkan perangkat kontrol Wing. Lengan remote akan dipindahkan melalui kombinasi kontrol manual langsung, dan teleoperation dibantu. Idenya adalah untuk memungkinkan operator untuk fokus pada tugas-tugas tingkat yang lebih tinggi, sementara memanfaatkan fitur unik Wing untuk menawarkan kesetiaan kontrol maksimum di mana diperlukan.
Prinsip Operasi
Operasi dengan Wing akan melibatkan memposisikan target cross-hair pada gambar video dari area kerja dengan menggunakan fungsi mouse komputer yang merupakan pusat filosofi desain Wing. Posisi end-effector akan dipindahkan menggunakan kontrol loop tertutup untuk mencocokkan posisi dua dimensi dari target. Roda gulir atau sumbu z akan digunakan untuk kontrol kedalaman. Bersamaan dengan itu, fungsi pitch, roll dan yaw Wing akan digunakan untuk mengendalikan orientasi end-effector. Beberapa tombol tersedia untuk aktivasi gripper atau fungsi lainnya.
Kontrol penuh lengan dengan satu tangan berarti bahwa tangan operator yang lain tersedia untuk mengontrol gerakan kendaraan, untuk pengoperasian lengan kedua, memanipulasi kamera, atau untuk fungsi lain.. I
nput Komputer dan Manipulasi Jarak Jauh
Analogi yang bermanfaat dapat dibuat antara penunjuk dan pemilihan dengan kursor di layar komputer, dan memposisikan dan menggenggam objek dengan lengan manipulator telekamlan.
Ini adalah posisi relatif dari target dan alat, atau target dan kursor yang penting dalam kedua kasus. Tujuannya adalah untuk memindahkan kursor ke posisi dua dimensi di layar komputer, atau untuk memindahkan end-effector ke titik dalam ruang tiga dimensi. Perbandingan ini membentuk dasar filosofi di balik proposal ini dan akan dirujuk ke seluruh dokumen ini.
Integrasi dan Pemisahan
Pertimbangan penting lainnya terkait dengan pemisahan gerakan. Dalam beberapa kasus, itu wajar untuk mengintegrasikan sumbu gerakan yang berbeda. Misalnya, untuk memindahkan objek dari tabel ke rak, seseorang hanya akan mengambilnya dan memindahkannya dalam gabungan tX-tY-tZ terjemahan dan rX-rY-rz rotasi tindakan. Banyak tugas praktis yang membutuhkan tingkat presisi yang tinggi dapat dilihat sebagai serangkaian tindakan yang terpisah. Seringkali alat dan benda kerja diposisikan kira-kira dalam proses 3D terpadu, dan kemudian tahap akhir dilakukan dalam tahap dua dimensi atau bahkan satu dimensi. Menusuk jarum, memotong dengan pisau bedah, mengebor lubang atau memotong dengan penggiling sudut adalah contoh umum.
Dalam tugas manipulasi jarak jauh yang sebanding, disarankan bahwa antarmuka manusia harus memungkinkan operator untuk mengontrol secara terpadu dan terpisah. Perangkat input yang benar-benar bebas hanya akan memungkinkan gerakan terintegrasi secara default.
Keterbatasan Solusi Saat Ini
Interaksi manipulator manusia saat ini melibatkan berbagai perangkat input mulai dari joystick standar, hingga antarmuka dipesan lebih dahulu berdasarkan prinsip master-budak. Kedua pendekatan memungkinkan hubungan kontrol langsung di mana input dipetakan langsung ke gerakan robot. Sementara prinsip master-slave lebih intuitif daripada kontrol joystick, kedua metode membutuhkan perhatian konstan agar efektif (You and Hauser, 2011). Banyak operator yang sangat terampil dan membuat antarmuka kontrol saat ini tampak optimal sesuai dengan tugasnya. Terlepas dari keterampilan operator, sistem interaksi saat ini antara operator manusia dan lengan manipulator terbatas dalam sejumlah cara, seperti yang dibahas di bawah ini.
Kontrol Joystick
Joystick standar mungkin merupakan cara paling jelas untuk mengendalikan lengan robot dari jarak jauh di mana setiap sambungan dikendalikan langsung oleh sumbu joystick yang berbeda. Dua joystick biasanya digunakan. Menggerakkan joystick dalam kombinasi memungkinkan alat dipindahkan ke titik mana saja di dalam amplop kerja. Metode ini terbukti efektif dalam praktik tetapi ada argumen bahwa kontrol langsung adalah "lambat, membosankan, dan tidak intuitif" (You and Hauser, 2011).
Kontrol Master-Slave
Perangkat master-slave memetakan pergerakan lengan yang diartikulasikan secara manual secara langsung ke gerakan lengan robot. Korelasi langsung antara master kontrol dan lengan budak berarti bahwa itu segera intuitif, tetapi kesalahan dari operator juga langsung diterjemahkan ke lengan robot. Karena master biasanya lebih kecil daripada budak, input harus diskalakan, dan karena itu kesalahan apa pun diperbesar. Kelelahan juga menjadi perhatian karena operator perlu mengadopsi postur yang tidak nyaman karena unit induk dipandu dengan hati-hati melalui setiap operasi.
Kontrol Mouse Komputer
Dengan memperluas analogi yang diperkenalkan sebelumnya, dapat dilihat bagaimana mouse komputer standar dapat digunakan untuk kontrol manipulator 3-sumbu. Memetakan gerakan mouse ke kontrol Cartesian dari end-efektor dapat bekerja dengan cara yang sama di mana mouse dipetakan ke kursor di layar, sementara roda gulir digunakan untuk kontrol sumbu-z.
Skala non-linear umumnya digunakan dengan mouse dan kemungkinan juga berfungsi baik dengan kontrol manipulator. Pergerakan mouse yang lambat akan sesuai dengan gerakan manipulator yang lebih lambat dan lebih akurat, dan gerakan cepat akan sesuai dengan gerakan peningkatan magnitudo.
Ada contoh kontrol langsung menggunakan mouse seperti uArm1 dari uFactory. Contoh-contoh industri termasuk fitur External Guided Motion2 (EGM) yang tersedia di RobotWare dari ABB, tetapi tidak banyak informasi yang dipublikasikan tentangnya yang sudah tersedia.
Teleoperation yang dibantu dengan mouse komputer juga telah ditunjukkan dengan beberapa keberhasilan (You and Hauser, 2011). Mereka menggunakan operasi klik-dan-seret dengan mouse dan berbagai strategi bantuan untuk menghindari collisiona dan perencanaan jalur.
Mungkin agak mengejutkan bahwa tidak ada lebih banyak contoh teleoperation mouse komputer. Ini mungkin dijelaskan oleh asimetri ekstrim (Hauser, 2012) antara mouse 3-sumbu (terjemahan XY melalui gerakan di meja, ditambah terjemahan-Z melalui roda gulir), dan manipulator dengan enam derajat kebebasan atau lebih. Namun demikian, akan tampak bahwa faktor-faktor yang terdokumentasi dengan baik (Balakrishnan, Baudel, Kurtenbach & Fitzmaurice, 1997) yang telah membuat mouse sangat sukses sebagai perangkat penunjuk akan berlaku sama untuk teleoperation.
Bentuk fisik
Bentuk mouse bersama dengan cara itu dioperasikan pada permukaan horizontal datar berarti bahwa pengguna tidak terbatas pada pegangan tertentu. Ini dapat digunakan dengan pegangan yang santai untuk gerakan yang kurang kritis, seperti memindahkan end-efektor di ruang bebas, atau pegangan yang lebih terkonsentrasi untuk gerakan presisi yang dekat dengan rintangan, atau saat mengoperasikan alat. Kadang-kadang pentingnya faktor ini diabaikan ketika mempertimbangkan perangkat kontrol yang perlu digunakan untuk waktu yang lama.
Stabilitas
Setiap guncangan yang tidak disengaja di tangan operator akan teredam karena gesekan kontak dengan permukaan, sehingga memungkinkan gerakan yang jauh lebih tepat daripada yang mungkin dilakukan dengan perangkat atau kontrol gestur bebas. Mouse juga dalam keadaan stabil di mana ia segera siap digunakan dan tidak harus "terganggu" untuk mendapatkan atau melepaskan perangkat. Sebaliknya, joystick kembali ke posisi sentral ketika dilepas dan posisi kursor pada layar sentuh tidak dapat diperoleh kembali secara akurat. Stabilitas meningkat lebih jauh saat mengistirahatkan lengan dan bagian tangan di permukaan mengurangi kelelahan dan menyediakan jangkar sebagai referensi untuk gerakan halus.
Mode Relatif vs. Mutlak
Perangkat input dapat melaporkan posisi pengukuran absolut mereka atau posisi saat ini relatif terhadap beberapa titik kunci. Pengoperasian perangkat absolut secara inheren cenderung lebih dibatasi karena rentang gerakan dan skala tetap. Mouse adalah perangkat relatif sehingga titik nol dapat diubah dan jumlah gerakan lengan yang diperlukan untuk menggunakannya secara efektif bisa sangat kecil. Dengan demikian, pengguna tidak perlu mengeluarkan banyak usaha ketika bekerja dengan mouse. Selanjutnya, kopling implisit berarti tidak menderita "masalah batal" (Buxton, 1986); tindakan mengangkat mouse dari meja dan menggantinya untuk melepaskan dan melibatkan kembali dengan mudah dipahami dan pengguna tampaknya merasa sangat alami.
Urutan Kontrol
Perangkat kontrol posisi ditemukan lebih unggul untuk menilai perangkat kontrol untuk tugas 3D umum untuk interaksi komputer (Zhai, 2004). Hal ini tidak terlalu mengejutkan, karena diharapkan bahwa memindahkan objek dari satu titik ke titik lain dalam arti virtual akan lebih baik jika masukan yang sesuai melibatkan gerakan dari satu titik ke titik lainnya. Jika manipulasi jarak jauh dianggap sebagai perpanjangan dari interaksi komputer, maka diharapkan hubungan serupa juga akan berlaku dalam konteks ini.
Memindahkan penunjuk dari posisi rumah, ke posisi target, dan kembali ke posisi rumah adalah tindakan umum dengan antarmuka komputer dan manipulator jarak jauh. Jenis gerakan reversibel ini mudah dicapai dengan mouse (atau perangkat master-slave), karena rasa bawaan pengguna di mana tangan mereka berada. Tindakan pembalikan adalah, secara kognitif, lebih sulit untuk dilakukan dengan perangkat yang dikontrol kecepatan seperti joystick, atau Spacemouse3, karena posisi tangan pengguna tidak terkait langsung dengan posisi kursor atau end-efektor.
Pemetaan Perangkat ke Kursor
Pemetaan default gerakan mouse ke gerakan kursor adalah "alami": menggerakkan mouse ke depan menggerakkan kursor ke atas, dan menggerakkan mouse ke kiri memindahkan kursor ke kiri. Ini mengurangi beban kognitif yang dibebankan pada pengguna karena hubungan antara input dan outputnya sederhana. Sebagian besar perangkat 3D kontrol posisi memiliki fitur ini, sementara perangkat sensor paksa menggunakan perangkat yang lebih rumit untuk mem-kursor pemetaan yang kurang intuitif.
Keakraban
Masukan mouse hampir di mana-mana untuk input komputer desktop dan langsung akrab bagi mayoritas orang. Ketika membandingkan pergerakan kursor di layar dan end-effector jarak jauh, diharapkan bahwa operator yang tidak terlatih akan memiliki setidaknya beberapa kemampuan ketika disajikan dengan manipulator jarak jauh yang dikendalikan mouse.
Pendekatan Alternatif
Ada peningkatan minat dalam pendekatan non-tradisional ke antarmuka mesin manusia seperti kontrol suara, pengenalan gerakan dan antarmuka otak-komputer.
Produk pasar massal seperti Microsoft Kinect4 mungkin meningkatkan minat pada solusi yang tidak melibatkan perangkat kontrol dalam pengertian tradisional. Tidak diragukan lagi ada daya tarik dalam apa yang mungkin dianggap sebagai sistem yang lebih futuristik, tetapi daya tarik untuk permainan tidak selalu berarti kegunaan aktual atau penerapan untuk teleoperation. Kesulitan utama adalah dalam memisahkan yang disengaja dari input yang tidak disengaja, dibingungkan oleh fakta bahwa sinyal input umumnya berisik, bandwidth rendah dan rentan terhadap kesalahan sistematik (You and Hauser, 2011).
Kemampuan teleoperation yang dibantu dapat membantu mengatasi beberapa keterbatasan di atas. Mengalihkan beban kerja tingkat rendah ke sistem kontrol mengurangi waktu pelatihan operator, mengurangi beban kognitif mereka, dan meningkatkan kesadaran situasional mereka (Levine & Checka, 2010). Namun, teleoperation terbantu bergantung pada kecerdasan komputer tingkat tinggi untuk menginterpretasikan niat operator dan menyimpulkan tindakan tingkat bawah yang benar yang diperlukan. Ini tentu saja memberikan keuntungan, tetapi fleksibilitas sistem berkurang karena asumsi yang tak terelakkan yang dibuat oleh sistem.
Perangkat seperti Spacemouse menawarkan enam derajat kebebasan dan bekerja paling efektif jika ada persyaratan yang benar untuk kontrol laju terpadu di semua arah. Namun, metafora ini tidak berlaku untuk contoh yang disajikan di Bagian 2.3, atau banyak manipulasi atau tugas navigasi dunia nyata lainnya. Misalnya, memilih objek untuk diperiksa biasanya merupakan tindakan terintegrasi, tetapi dapat dilihat untuk secara langsung melibatkan kontrol posisi, bukan kontrol laju.
4 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/kinect/hardware
Perangkat Kontrol Sayap
Sejak demonstrasi publik aslinya pada tahun 1968, mouse komputer telah berubah sangat sedikit. Teknologi penginderaan telah meningkat, dan roda gulir dan tombol tambahan telah ditambahkan, tetapi kemampuannya belum benar-benar maju. The Wing dikembangkan oleh Worthington Sharpe untuk menambahkan kemampuan kontrol tiga dimensi penuh ke mouse standar.
The Wing dan komponen utamanya ditunjukkan pada Gambar 1. Pegas pusat pitch, roll dan yaw axes dan disesuaikan untuk hampir menghilangkan bermain di sendi. Sensor Hall-Effect digunakan untuk mendeteksi gerakan dan sensor laser tikus dengan resolusi variabel dipasang di bagian bawah tubuh untuk merasakan gerakan terhadap permukaan referensi.
Sayap dapat dipindahkan di atas permukaan kerja seperti dengan mouse normal, tetapi selain itu, tubuh bagian atas dapat bernada, berguling dan bergerak secara vertikal relatif ke tubuh bagian bawah. Batang yaw, diposisikan di antara tubuh atas dan bawah juga bisa dipelintir. Fungsi ditunjukkan pada Gambar 2.
Prinsip Operasi
Beberapa strategi kontrol lengan manipulator yang berbeda akan mungkin dengan Wing dan kemungkinan metodologi yang diusulkan perlu diadaptasi saat pekerjaan berlangsung. Gambaran dari apa yang tampaknya menjadi pendekatan yang paling menjanjikan disajikan di sini.
Strategi Kontrol
Untuk posisi akhir-efektor menggunakan Wing, fungsi mouse digunakan untuk posisi kursor target pada gambar video dari area kerja, dan scroll-wheel atau z-axis digunakan untuk menentukan ketinggian. Sementara itu, fungsi pitch, roll dan yaw digunakan untuk mengorientasikan end-efektor. Perangkat lunak ini akan menggunakan kinematika inverse atau
strategi kontrol lain yang sesuai untuk memindahkan end-efektor agar
sesuai dengan posisi target. Target itu sendiri akan menjadi bantuan grafis murni dan sehingga tidak akan ada lag yang terlihat dalam gerakannya. Ini akan memberikan umpan balik langsung mengenai gerakan manipulator yang dituju dan membantu operator melihat manipulator lag dari kesalahan posisional apa pun. Prinsipnya diilustrasikan dalam
Interfacing dengan Wing
Output dari Wing adalah melalui satu port USB yang dipisah menjadi dua titik akhir USB terpisah yang dikenali sebagai dua perangkat USB terpisah: mouse standar, dan joystick 4 sumbu standar. Gerakan mouse dapat dihubungkan langsung ke koordinat XY dari endeffector dan roda gulir langsung ke koordinat Z. Wing mengeluarkan pitch, roll dan yaw sebagai saluran joystick, yang dapat dipetakan ke kontrol rate, atau posisi kontrol dari orientasi end-effector. Sumbu-z dari Wing dikirim sebagai saluran "throttle" joystick, tetapi mungkin akan lebih baik untuk berkonsentrasi pada sumbu lain untuk memulai.
Tidak ada contoh yang dikenal pendekatan target grafis dibahas di sini yang digunakan dengan standar mouse dan manipulator lengan, tetapi lebih mendalam pencarian mungkin menghasilkan hasil yang relevan. Bagaimanapun, cara yang lebih sederhana untuk memulai adalah dengan mengatur antarmuka kontrol langsung antara Wing dan lengan sebelum melanjutkan ke strategi kontrol yang lebih maju.
Haptics
Umpan balik haptic biasanya digunakan pada kontroler tipe master-slave untuk memberikan panduan tambahan kepada operator selama tugas manipulasi jarak jauh.
Akan mungkin untuk mengganti pegas pada sumbu pitch, roll dan yaw dengan motor listrik. Umpan balik torsi dari motor akan membantu operator saat orientasi alat dekat dengan hambatan, atau misalnya, menggunakan sumbu yaw untuk mengencangkan baut. Dimungkinkan juga untuk menggunakan sumbu-Z bersama dengan pitch, roll atau yaw untuk memberikan indikasi terjemahan X atau Y.
Menambahkan umpan gaya terjemahan pada sumbu X dan Y lebih sulit karena sifat desain Wing; ia dirancang untuk digunakan seperti mouse komputer dan memperbaikinya dasar untuk memberikan reaksi untuk kekuatan apapun kemungkinan akan merugikan kemudahan penggunaan.
Desain yang menggabungkan elektromagnet bergerak di dalam unit dasar telah dikembangkan (Akamatsu, M., Sato, S. dan MacKenzie, 1994) tetapi pendekatan ini akan berarti mengubah sensor Hall-Effect yang saat ini ada pada sumbu pitch, roll dan yaw.
Pilihan lain adalah menggunakan lengan yang menempel pada Wing dan yang umumnya sesuai dengan gerakan yang dimaksudkan operator. Ketika reaksi dialami oleh manipulator, ini akan ditularkan melalui lengan. Suatu pendekatan lebih lanjut mungkin untuk umpan balik tanggapan yang berbeda yang sesuai dengan reaksi translasi. Misalnya, bilah yaw bisa dibuat untuk menerjemahkan sedikit ke arah X, Y, dan Z sehingga operator merasakan umpan balik yang sesuai di jari-jari mereka.
Keterbatasan
Mengorelasikan urutan input ke persyaratan adalah pertimbangan penting yang berlaku untuk interaksi komputer (Zhai, 1995) dan tidak ada alasan untuk berpikir bahwa itu tidak juga berlaku untuk manipulasi jarak jauh. Telah dibahas bagaimana gerakan XY Wing berkorelasi dengan gerakan Cartesian dari lengan manipulator. Orientasi alat ini tidak begitu cocok dengan gerakan pitch, roll, dan yaw axis Wing jika dibandingkan dengan kontrol langsung yang ditawarkan oleh sistem master-slave. Seberapa kritis ini dalam praktik sulit untuk ditentukan pada tahap ini.
Persepsi pengguna adalah batasan utama dan kemungkinan akan menjadi sesuatu yang sulit diatasi dengan solusi rekayasa. The Wing terlihat dan bekerja seperti mouse komputer dan ini sendiri menyajikan masalah karena mouse kadang-kadang dianggap sebagai teknologi yang ketinggalan jaman. Mungkin diharapkan operasi dari lengan manipulator yang mahal dan rumit harus dengan pengontrol yang mahal dan rumit.
Kesimpulan dan Pekerjaan Lebih Lanjut
Dokumen ini hanya dimaksudkan sebagai pengantar kemungkinan menggunakan Wing untuk manipulasi jarak jauh. Tidak diharapkan bahwa pengaturan yang diusulkan sangat ideal untuk setiap tugas manipulasi jarak jauh. Namun diharapkan bahwa diskusi di atas setidaknya menghadirkan potensi manfaat yang patut ditelusuri lebih lanjut. Langkah jelas selanjutnya berikutnya adalah untuk menunjukkan kelayakan dengan lengan manipulator yang sesuai.
Pembagian antara kelas-kelas sistem yang dioperasikan dari jarak jauh bisa dibilang menjadi kabur. Sistem kontrol yang dapat beradaptasi dengan kebutuhan yang berbeda dari setiap tugas mungkin tidak praktis, tetapi Wing and the Wing GCS menyajikan kombinasi baru fitur-fitur yang memiliki potensi setidaknya dalam beberapa situasi ini.
Wing GCS
Lebih lanjut ke pengembangan Wing, Worthington Sharpe mengembangkan Ground Control Station untuk UAV, "Wing GCS". Ini dirancang untuk menyediakan seperangkat sistem berbasis tanah yang komprehensif untuk UAV. GCS Wing akan menyediakan platform yang sesuai untuk mengintegrasikan sistem yang diperlukan untuk kontrol lengan manipulator. Salinan brosur untuk sistem mendeskripsikannya secara lebih rinci dan disertakan dalam Apendiks
Hal ini dirancang untuk memenuhi tuntutan kontrol dari Kendaraan Udara Yang Tidak Dikemudikan (UAV atau drone), Kendaraan yang Dioperasikan dari Jarak Jauh (ROVs), manipulasi jarak jauh, perangkat lunak Computer Aided Design (CAD), Virtual Reality, dan simulasi atau perangkat lunak pelatihan. Penggunaan saat ini termasuk kontrol UAV dan perangkat lunak CAD. Dokumen ini membahas bagaimana itu bisa digunakan untuk teleoperation dari lengan manipulator.
Joystick standar biasanya digunakan sebagai input manual untuk teleoperation, namun pendekatan ini tidak terlalu intuitif dan tidak cocok untuk tugas tersebut. Solusi master-slave, sarung tangan virtual reality, atau kontrol gerakan memang menawarkan peningkatan tingkat ketangkasan tetapi mereka kompleks, mahal, dan sering menyebabkan kelelahan operator yang berlebihan.
Pendekatan alternatif disarankan di sini melibatkan perangkat kontrol Wing. Lengan remote akan dipindahkan melalui kombinasi kontrol manual langsung, dan teleoperation dibantu. Idenya adalah untuk memungkinkan operator untuk fokus pada tugas-tugas tingkat yang lebih tinggi, sementara memanfaatkan fitur unik Wing untuk menawarkan kesetiaan kontrol maksimum di mana diperlukan.
Prinsip Operasi
Operasi dengan Wing akan melibatkan memposisikan target cross-hair pada gambar video dari area kerja dengan menggunakan fungsi mouse komputer yang merupakan pusat filosofi desain Wing. Posisi end-effector akan dipindahkan menggunakan kontrol loop tertutup untuk mencocokkan posisi dua dimensi dari target. Roda gulir atau sumbu z akan digunakan untuk kontrol kedalaman. Bersamaan dengan itu, fungsi pitch, roll dan yaw Wing akan digunakan untuk mengendalikan orientasi end-effector. Beberapa tombol tersedia untuk aktivasi gripper atau fungsi lainnya.
Kontrol penuh lengan dengan satu tangan berarti bahwa tangan operator yang lain tersedia untuk mengontrol gerakan kendaraan, untuk pengoperasian lengan kedua, memanipulasi kamera, atau untuk fungsi lain.. I
nput Komputer dan Manipulasi Jarak Jauh
Analogi yang bermanfaat dapat dibuat antara penunjuk dan pemilihan dengan kursor di layar komputer, dan memposisikan dan menggenggam objek dengan lengan manipulator telekamlan.
Ini adalah posisi relatif dari target dan alat, atau target dan kursor yang penting dalam kedua kasus. Tujuannya adalah untuk memindahkan kursor ke posisi dua dimensi di layar komputer, atau untuk memindahkan end-effector ke titik dalam ruang tiga dimensi. Perbandingan ini membentuk dasar filosofi di balik proposal ini dan akan dirujuk ke seluruh dokumen ini.
Integrasi dan Pemisahan
Pertimbangan penting lainnya terkait dengan pemisahan gerakan. Dalam beberapa kasus, itu wajar untuk mengintegrasikan sumbu gerakan yang berbeda. Misalnya, untuk memindahkan objek dari tabel ke rak, seseorang hanya akan mengambilnya dan memindahkannya dalam gabungan tX-tY-tZ terjemahan dan rX-rY-rz rotasi tindakan. Banyak tugas praktis yang membutuhkan tingkat presisi yang tinggi dapat dilihat sebagai serangkaian tindakan yang terpisah. Seringkali alat dan benda kerja diposisikan kira-kira dalam proses 3D terpadu, dan kemudian tahap akhir dilakukan dalam tahap dua dimensi atau bahkan satu dimensi. Menusuk jarum, memotong dengan pisau bedah, mengebor lubang atau memotong dengan penggiling sudut adalah contoh umum.
Dalam tugas manipulasi jarak jauh yang sebanding, disarankan bahwa antarmuka manusia harus memungkinkan operator untuk mengontrol secara terpadu dan terpisah. Perangkat input yang benar-benar bebas hanya akan memungkinkan gerakan terintegrasi secara default.
Keterbatasan Solusi Saat Ini
Interaksi manipulator manusia saat ini melibatkan berbagai perangkat input mulai dari joystick standar, hingga antarmuka dipesan lebih dahulu berdasarkan prinsip master-budak. Kedua pendekatan memungkinkan hubungan kontrol langsung di mana input dipetakan langsung ke gerakan robot. Sementara prinsip master-slave lebih intuitif daripada kontrol joystick, kedua metode membutuhkan perhatian konstan agar efektif (You and Hauser, 2011). Banyak operator yang sangat terampil dan membuat antarmuka kontrol saat ini tampak optimal sesuai dengan tugasnya. Terlepas dari keterampilan operator, sistem interaksi saat ini antara operator manusia dan lengan manipulator terbatas dalam sejumlah cara, seperti yang dibahas di bawah ini.
Kontrol Joystick
Joystick standar mungkin merupakan cara paling jelas untuk mengendalikan lengan robot dari jarak jauh di mana setiap sambungan dikendalikan langsung oleh sumbu joystick yang berbeda. Dua joystick biasanya digunakan. Menggerakkan joystick dalam kombinasi memungkinkan alat dipindahkan ke titik mana saja di dalam amplop kerja. Metode ini terbukti efektif dalam praktik tetapi ada argumen bahwa kontrol langsung adalah "lambat, membosankan, dan tidak intuitif" (You and Hauser, 2011).
Kontrol Master-Slave
Perangkat master-slave memetakan pergerakan lengan yang diartikulasikan secara manual secara langsung ke gerakan lengan robot. Korelasi langsung antara master kontrol dan lengan budak berarti bahwa itu segera intuitif, tetapi kesalahan dari operator juga langsung diterjemahkan ke lengan robot. Karena master biasanya lebih kecil daripada budak, input harus diskalakan, dan karena itu kesalahan apa pun diperbesar. Kelelahan juga menjadi perhatian karena operator perlu mengadopsi postur yang tidak nyaman karena unit induk dipandu dengan hati-hati melalui setiap operasi.
Kontrol Mouse Komputer
Dengan memperluas analogi yang diperkenalkan sebelumnya, dapat dilihat bagaimana mouse komputer standar dapat digunakan untuk kontrol manipulator 3-sumbu. Memetakan gerakan mouse ke kontrol Cartesian dari end-efektor dapat bekerja dengan cara yang sama di mana mouse dipetakan ke kursor di layar, sementara roda gulir digunakan untuk kontrol sumbu-z.
Skala non-linear umumnya digunakan dengan mouse dan kemungkinan juga berfungsi baik dengan kontrol manipulator. Pergerakan mouse yang lambat akan sesuai dengan gerakan manipulator yang lebih lambat dan lebih akurat, dan gerakan cepat akan sesuai dengan gerakan peningkatan magnitudo.
Ada contoh kontrol langsung menggunakan mouse seperti uArm1 dari uFactory. Contoh-contoh industri termasuk fitur External Guided Motion2 (EGM) yang tersedia di RobotWare dari ABB, tetapi tidak banyak informasi yang dipublikasikan tentangnya yang sudah tersedia.
Teleoperation yang dibantu dengan mouse komputer juga telah ditunjukkan dengan beberapa keberhasilan (You and Hauser, 2011). Mereka menggunakan operasi klik-dan-seret dengan mouse dan berbagai strategi bantuan untuk menghindari collisiona dan perencanaan jalur.
Mungkin agak mengejutkan bahwa tidak ada lebih banyak contoh teleoperation mouse komputer. Ini mungkin dijelaskan oleh asimetri ekstrim (Hauser, 2012) antara mouse 3-sumbu (terjemahan XY melalui gerakan di meja, ditambah terjemahan-Z melalui roda gulir), dan manipulator dengan enam derajat kebebasan atau lebih. Namun demikian, akan tampak bahwa faktor-faktor yang terdokumentasi dengan baik (Balakrishnan, Baudel, Kurtenbach & Fitzmaurice, 1997) yang telah membuat mouse sangat sukses sebagai perangkat penunjuk akan berlaku sama untuk teleoperation.
Bentuk fisik
Bentuk mouse bersama dengan cara itu dioperasikan pada permukaan horizontal datar berarti bahwa pengguna tidak terbatas pada pegangan tertentu. Ini dapat digunakan dengan pegangan yang santai untuk gerakan yang kurang kritis, seperti memindahkan end-efektor di ruang bebas, atau pegangan yang lebih terkonsentrasi untuk gerakan presisi yang dekat dengan rintangan, atau saat mengoperasikan alat. Kadang-kadang pentingnya faktor ini diabaikan ketika mempertimbangkan perangkat kontrol yang perlu digunakan untuk waktu yang lama.
Stabilitas
Setiap guncangan yang tidak disengaja di tangan operator akan teredam karena gesekan kontak dengan permukaan, sehingga memungkinkan gerakan yang jauh lebih tepat daripada yang mungkin dilakukan dengan perangkat atau kontrol gestur bebas. Mouse juga dalam keadaan stabil di mana ia segera siap digunakan dan tidak harus "terganggu" untuk mendapatkan atau melepaskan perangkat. Sebaliknya, joystick kembali ke posisi sentral ketika dilepas dan posisi kursor pada layar sentuh tidak dapat diperoleh kembali secara akurat. Stabilitas meningkat lebih jauh saat mengistirahatkan lengan dan bagian tangan di permukaan mengurangi kelelahan dan menyediakan jangkar sebagai referensi untuk gerakan halus.
Mode Relatif vs. Mutlak
Perangkat input dapat melaporkan posisi pengukuran absolut mereka atau posisi saat ini relatif terhadap beberapa titik kunci. Pengoperasian perangkat absolut secara inheren cenderung lebih dibatasi karena rentang gerakan dan skala tetap. Mouse adalah perangkat relatif sehingga titik nol dapat diubah dan jumlah gerakan lengan yang diperlukan untuk menggunakannya secara efektif bisa sangat kecil. Dengan demikian, pengguna tidak perlu mengeluarkan banyak usaha ketika bekerja dengan mouse. Selanjutnya, kopling implisit berarti tidak menderita "masalah batal" (Buxton, 1986); tindakan mengangkat mouse dari meja dan menggantinya untuk melepaskan dan melibatkan kembali dengan mudah dipahami dan pengguna tampaknya merasa sangat alami.
Urutan Kontrol
Perangkat kontrol posisi ditemukan lebih unggul untuk menilai perangkat kontrol untuk tugas 3D umum untuk interaksi komputer (Zhai, 2004). Hal ini tidak terlalu mengejutkan, karena diharapkan bahwa memindahkan objek dari satu titik ke titik lain dalam arti virtual akan lebih baik jika masukan yang sesuai melibatkan gerakan dari satu titik ke titik lainnya. Jika manipulasi jarak jauh dianggap sebagai perpanjangan dari interaksi komputer, maka diharapkan hubungan serupa juga akan berlaku dalam konteks ini.
Memindahkan penunjuk dari posisi rumah, ke posisi target, dan kembali ke posisi rumah adalah tindakan umum dengan antarmuka komputer dan manipulator jarak jauh. Jenis gerakan reversibel ini mudah dicapai dengan mouse (atau perangkat master-slave), karena rasa bawaan pengguna di mana tangan mereka berada. Tindakan pembalikan adalah, secara kognitif, lebih sulit untuk dilakukan dengan perangkat yang dikontrol kecepatan seperti joystick, atau Spacemouse3, karena posisi tangan pengguna tidak terkait langsung dengan posisi kursor atau end-efektor.
Pemetaan Perangkat ke Kursor
Pemetaan default gerakan mouse ke gerakan kursor adalah "alami": menggerakkan mouse ke depan menggerakkan kursor ke atas, dan menggerakkan mouse ke kiri memindahkan kursor ke kiri. Ini mengurangi beban kognitif yang dibebankan pada pengguna karena hubungan antara input dan outputnya sederhana. Sebagian besar perangkat 3D kontrol posisi memiliki fitur ini, sementara perangkat sensor paksa menggunakan perangkat yang lebih rumit untuk mem-kursor pemetaan yang kurang intuitif.
Keakraban
Masukan mouse hampir di mana-mana untuk input komputer desktop dan langsung akrab bagi mayoritas orang. Ketika membandingkan pergerakan kursor di layar dan end-effector jarak jauh, diharapkan bahwa operator yang tidak terlatih akan memiliki setidaknya beberapa kemampuan ketika disajikan dengan manipulator jarak jauh yang dikendalikan mouse.
Pendekatan Alternatif
Ada peningkatan minat dalam pendekatan non-tradisional ke antarmuka mesin manusia seperti kontrol suara, pengenalan gerakan dan antarmuka otak-komputer.
Produk pasar massal seperti Microsoft Kinect4 mungkin meningkatkan minat pada solusi yang tidak melibatkan perangkat kontrol dalam pengertian tradisional. Tidak diragukan lagi ada daya tarik dalam apa yang mungkin dianggap sebagai sistem yang lebih futuristik, tetapi daya tarik untuk permainan tidak selalu berarti kegunaan aktual atau penerapan untuk teleoperation. Kesulitan utama adalah dalam memisahkan yang disengaja dari input yang tidak disengaja, dibingungkan oleh fakta bahwa sinyal input umumnya berisik, bandwidth rendah dan rentan terhadap kesalahan sistematik (You and Hauser, 2011).
Kemampuan teleoperation yang dibantu dapat membantu mengatasi beberapa keterbatasan di atas. Mengalihkan beban kerja tingkat rendah ke sistem kontrol mengurangi waktu pelatihan operator, mengurangi beban kognitif mereka, dan meningkatkan kesadaran situasional mereka (Levine & Checka, 2010). Namun, teleoperation terbantu bergantung pada kecerdasan komputer tingkat tinggi untuk menginterpretasikan niat operator dan menyimpulkan tindakan tingkat bawah yang benar yang diperlukan. Ini tentu saja memberikan keuntungan, tetapi fleksibilitas sistem berkurang karena asumsi yang tak terelakkan yang dibuat oleh sistem.
Perangkat seperti Spacemouse menawarkan enam derajat kebebasan dan bekerja paling efektif jika ada persyaratan yang benar untuk kontrol laju terpadu di semua arah. Namun, metafora ini tidak berlaku untuk contoh yang disajikan di Bagian 2.3, atau banyak manipulasi atau tugas navigasi dunia nyata lainnya. Misalnya, memilih objek untuk diperiksa biasanya merupakan tindakan terintegrasi, tetapi dapat dilihat untuk secara langsung melibatkan kontrol posisi, bukan kontrol laju.
4 https://developer.microsoft.com/en-us/windows/kinect/hardware
Perangkat Kontrol Sayap
Sejak demonstrasi publik aslinya pada tahun 1968, mouse komputer telah berubah sangat sedikit. Teknologi penginderaan telah meningkat, dan roda gulir dan tombol tambahan telah ditambahkan, tetapi kemampuannya belum benar-benar maju. The Wing dikembangkan oleh Worthington Sharpe untuk menambahkan kemampuan kontrol tiga dimensi penuh ke mouse standar.
The Wing dan komponen utamanya ditunjukkan pada Gambar 1. Pegas pusat pitch, roll dan yaw axes dan disesuaikan untuk hampir menghilangkan bermain di sendi. Sensor Hall-Effect digunakan untuk mendeteksi gerakan dan sensor laser tikus dengan resolusi variabel dipasang di bagian bawah tubuh untuk merasakan gerakan terhadap permukaan referensi.
Sayap dapat dipindahkan di atas permukaan kerja seperti dengan mouse normal, tetapi selain itu, tubuh bagian atas dapat bernada, berguling dan bergerak secara vertikal relatif ke tubuh bagian bawah. Batang yaw, diposisikan di antara tubuh atas dan bawah juga bisa dipelintir. Fungsi ditunjukkan pada Gambar 2.
Prinsip Operasi
Beberapa strategi kontrol lengan manipulator yang berbeda akan mungkin dengan Wing dan kemungkinan metodologi yang diusulkan perlu diadaptasi saat pekerjaan berlangsung. Gambaran dari apa yang tampaknya menjadi pendekatan yang paling menjanjikan disajikan di sini.
Strategi Kontrol
Untuk posisi akhir-efektor menggunakan Wing, fungsi mouse digunakan untuk posisi kursor target pada gambar video dari area kerja, dan scroll-wheel atau z-axis digunakan untuk menentukan ketinggian. Sementara itu, fungsi pitch, roll dan yaw digunakan untuk mengorientasikan end-efektor. Perangkat lunak ini akan menggunakan kinematika inverse atau
strategi kontrol lain yang sesuai untuk memindahkan end-efektor agar
sesuai dengan posisi target. Target itu sendiri akan menjadi bantuan grafis murni dan sehingga tidak akan ada lag yang terlihat dalam gerakannya. Ini akan memberikan umpan balik langsung mengenai gerakan manipulator yang dituju dan membantu operator melihat manipulator lag dari kesalahan posisional apa pun. Prinsipnya diilustrasikan dalam
Interfacing dengan Wing
Output dari Wing adalah melalui satu port USB yang dipisah menjadi dua titik akhir USB terpisah yang dikenali sebagai dua perangkat USB terpisah: mouse standar, dan joystick 4 sumbu standar. Gerakan mouse dapat dihubungkan langsung ke koordinat XY dari endeffector dan roda gulir langsung ke koordinat Z. Wing mengeluarkan pitch, roll dan yaw sebagai saluran joystick, yang dapat dipetakan ke kontrol rate, atau posisi kontrol dari orientasi end-effector. Sumbu-z dari Wing dikirim sebagai saluran "throttle" joystick, tetapi mungkin akan lebih baik untuk berkonsentrasi pada sumbu lain untuk memulai.
Tidak ada contoh yang dikenal pendekatan target grafis dibahas di sini yang digunakan dengan standar mouse dan manipulator lengan, tetapi lebih mendalam pencarian mungkin menghasilkan hasil yang relevan. Bagaimanapun, cara yang lebih sederhana untuk memulai adalah dengan mengatur antarmuka kontrol langsung antara Wing dan lengan sebelum melanjutkan ke strategi kontrol yang lebih maju.
Haptics
Umpan balik haptic biasanya digunakan pada kontroler tipe master-slave untuk memberikan panduan tambahan kepada operator selama tugas manipulasi jarak jauh.
Akan mungkin untuk mengganti pegas pada sumbu pitch, roll dan yaw dengan motor listrik. Umpan balik torsi dari motor akan membantu operator saat orientasi alat dekat dengan hambatan, atau misalnya, menggunakan sumbu yaw untuk mengencangkan baut. Dimungkinkan juga untuk menggunakan sumbu-Z bersama dengan pitch, roll atau yaw untuk memberikan indikasi terjemahan X atau Y.
Menambahkan umpan gaya terjemahan pada sumbu X dan Y lebih sulit karena sifat desain Wing; ia dirancang untuk digunakan seperti mouse komputer dan memperbaikinya dasar untuk memberikan reaksi untuk kekuatan apapun kemungkinan akan merugikan kemudahan penggunaan.
Desain yang menggabungkan elektromagnet bergerak di dalam unit dasar telah dikembangkan (Akamatsu, M., Sato, S. dan MacKenzie, 1994) tetapi pendekatan ini akan berarti mengubah sensor Hall-Effect yang saat ini ada pada sumbu pitch, roll dan yaw.
Pilihan lain adalah menggunakan lengan yang menempel pada Wing dan yang umumnya sesuai dengan gerakan yang dimaksudkan operator. Ketika reaksi dialami oleh manipulator, ini akan ditularkan melalui lengan. Suatu pendekatan lebih lanjut mungkin untuk umpan balik tanggapan yang berbeda yang sesuai dengan reaksi translasi. Misalnya, bilah yaw bisa dibuat untuk menerjemahkan sedikit ke arah X, Y, dan Z sehingga operator merasakan umpan balik yang sesuai di jari-jari mereka.
Keterbatasan
Mengorelasikan urutan input ke persyaratan adalah pertimbangan penting yang berlaku untuk interaksi komputer (Zhai, 1995) dan tidak ada alasan untuk berpikir bahwa itu tidak juga berlaku untuk manipulasi jarak jauh. Telah dibahas bagaimana gerakan XY Wing berkorelasi dengan gerakan Cartesian dari lengan manipulator. Orientasi alat ini tidak begitu cocok dengan gerakan pitch, roll, dan yaw axis Wing jika dibandingkan dengan kontrol langsung yang ditawarkan oleh sistem master-slave. Seberapa kritis ini dalam praktik sulit untuk ditentukan pada tahap ini.
Persepsi pengguna adalah batasan utama dan kemungkinan akan menjadi sesuatu yang sulit diatasi dengan solusi rekayasa. The Wing terlihat dan bekerja seperti mouse komputer dan ini sendiri menyajikan masalah karena mouse kadang-kadang dianggap sebagai teknologi yang ketinggalan jaman. Mungkin diharapkan operasi dari lengan manipulator yang mahal dan rumit harus dengan pengontrol yang mahal dan rumit.
Kesimpulan dan Pekerjaan Lebih Lanjut
Dokumen ini hanya dimaksudkan sebagai pengantar kemungkinan menggunakan Wing untuk manipulasi jarak jauh. Tidak diharapkan bahwa pengaturan yang diusulkan sangat ideal untuk setiap tugas manipulasi jarak jauh. Namun diharapkan bahwa diskusi di atas setidaknya menghadirkan potensi manfaat yang patut ditelusuri lebih lanjut. Langkah jelas selanjutnya berikutnya adalah untuk menunjukkan kelayakan dengan lengan manipulator yang sesuai.
Pembagian antara kelas-kelas sistem yang dioperasikan dari jarak jauh bisa dibilang menjadi kabur. Sistem kontrol yang dapat beradaptasi dengan kebutuhan yang berbeda dari setiap tugas mungkin tidak praktis, tetapi Wing and the Wing GCS menyajikan kombinasi baru fitur-fitur yang memiliki potensi setidaknya dalam beberapa situasi ini.
Wing GCS
Lebih lanjut ke pengembangan Wing, Worthington Sharpe mengembangkan Ground Control Station untuk UAV, "Wing GCS". Ini dirancang untuk menyediakan seperangkat sistem berbasis tanah yang komprehensif untuk UAV. GCS Wing akan menyediakan platform yang sesuai untuk mengintegrasikan sistem yang diperlukan untuk kontrol lengan manipulator. Salinan brosur untuk sistem mendeskripsikannya secara lebih rinci dan disertakan dalam Apendiks
Tidak ada komentar:
Posting Komentar