A Position Control-based Approach to Stiff Objects Haptic Rendering

• With electronic components and computational power becoming more portable and available to general consumers, applications like virtual reality (VR) and mixed reality (MR) are on the rise and renovating the industry of training simulators. Though it is not fully accepted in surgical robots, haptic force feedback can be safely introduced into various surgical training simulators to convey the necessary haptic cues needed to develop hand-eye coordination and motor skills. However, with the current generation of haptic device hardware, it is still challenging to render high stiffness virtual objects while stability allows. Passivity-based approaches are commonly used to ensure stability but they may lead to conservative behavior. Therefore, new approaches are needed to explore other ways of rendering high stiffness without losing stability. This thesis proposes a position control-based haptic rendering approach that designs a position controller to do force computation for the rendering of high-stiffness objects. Instead of computing a penalty force signal that mimics the desired interaction and softly constrains the objects to have little penetration, this proposed approach aims to achieve no penetration with the help of a position controller and sensors. The approach can be easily adapted and applied on any haptic device since it relies on the building of an implicit simulation model which can be linearized at one or several operating points to describe the full dynamics of the system. Different user scenarios, disturbance signals, and evaluation metrics are also proposed to assess and compare the performance with other common approaches. The results show that the proposed approach can stably render a virtual wall with stiffness higher than the common way of modeling the wall as a spring-damper system. By using a piece-wise linear model generated based on multiple operating points and a gain scheduling controller with linear interpolation, the performance of the system is further improved.

• Under senare år har vi haft en trend att elektronik blir allt mer kraftfull och portabel och samtidigt mer tillgänglig för större grupper av konsumenter. Detta har även medfört att utveckling och användning av applikationer inom ”Virtual Reality” och ”Mixed Reality” har ökat och även medfört förändringar för industriella tillämpningar av simulatorer där syftet är att träna upp olika slags färdigheter hos användaren. Även om det inte är fullt accepterat med kirurgiska robotar, haptisk kraftåterkoppling kan introduceras på ett säkert sätt för simulatorer inom kirurgi och innefatta de haptiska sinnen som behövs för att utveckla koordination mellan syn och rörelse och även motoriska färdigheter.Det är dock fortfarande en utmaning att på ett stabilt sätt återge en kontakt med ett objekt med en hård yta med de haptiska enheter som finns kommersiellt  tillgängliga idag. Passivitetsbaserade ansatser är vanligt förkommande för att lösa problemet med stabilitet, men ger ett alltför konservativt beteende. Vi behöver därför nya ansatser för att utvärdera alternativa sätt att återge hög kontaktstyvhet utan att äventyra stabiliteten. Den här avhandlingen föreslår en ansats för haptisk kraftåtergivning som är baserad på att använda ett reglersystem för lägeskontroll där reglersystemet beräknar den kraft som ska återkopplas till användaren när kontakt inträffar med ett styvt objekt. Istället för att beräkna den interaktionskraft som försöker efterlikna den verkliga kontakten och förhindra att man tränger in i materialet strävar den här ansatsen efter att förhindra penetrering genom att använda ett reglersystem för lägeskontroll för att beräkna kraften. För att skapa en generell ansats som kan anpassas och appliceras på andra mekanismer än den vi använt som testcase har vi tillämpat ett angreppssätt där vi först skapar en implicit simuleringsmodell som därefter linjäriseras för en eller flera positioner inom arbetsrymden. Därigenom kan det dynamiska beteendet för systemet beskrivas i form av en eller flera linjäriserade modeller.  För att utvärdera ansatsen har olika scenarios studerats där olika störsignaler har använts. Ett antal utvärderingskriteria har definierats och nyttjas som bas för utvärdering av prestanda och jämförelse med andra ansatser.Resultaten visar att den utvecklade ansatsen kan med ett stabilt beteende, återge klart högre krafter och därmed en mer realistisk känsla än den traditionella metoden att beräkna kraften baserat på en fjäder-dämparmodell, när interaktion sker med ett styvt objekt i en virtuell värld.

Ämnesord

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Robotteknik och automation (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Robotics (hsv//eng)

TEKNIK OCH TEKNOLOGIER  -- Elektroteknik och elektronik -- Reglerteknik (hsv//swe)

ENGINEERING AND TECHNOLOGY  -- Electrical Engineering, Electronic Engineering, Information Engineering -- Control Engineering (hsv//eng)

NATURVETENSKAP  -- Data- och informationsvetenskap -- Människa-datorinteraktion (hsv//swe)

NATURAL SCIENCES  -- Computer and Information Sciences -- Human Computer Interaction (hsv//eng)

Nyckelord

haptic rendering

position control-based approach

rigid-body interaction

Machine Design

Maskinkonstruktion

Publikations- och innehållstyp

vet (ämneskategori)

dok (ämneskategori)