采用LABVIEW平臺和圖形系統設計方法實現模擬觸覺控制系統的設計

曾經玩過一種當你偏離賽道時手柄發出震動警示的電視賽車游戲嗎？如果玩過，你便已經對觸覺界面有了感觀的認識。觸覺這個詞來自希臘語haptikos， 意識是抓住或感知。通過觸覺機器人，用戶可以感覺到遙遠的或虛擬的環境。觸覺界面給用戶真實的觸覺反饋，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。

觸覺研究其中一個尖端前沿區域叫做“被動觸覺”一般的觸覺界面都是主動感知，意思是系統使用電機和風力等動力設備增加用戶感知到的系統作用力。主動觸覺系統的風險在于，動力設備可能會增加過多的作用力，而傷害到用戶。被動觸覺界面設計有安全選項，使用被動動力設備例如采用磁流變剎車將系統作用力消除，而不是給系統添加作用力。被動觸覺界面不僅僅只是安全，也更加節能。

美國佐治亞州技術研究院智能機器動力實驗室（IMDL）的研究人員正在研究被動觸覺系統的用途。Wayne Book博士和研究生Benjamin Black正在進行的研究，是觀察在額外的安全保障下，被動觸覺系統是否在遠程設備操作上和主動觸覺系統有相同的功效。被動觸覺系統的一個主要局限性在于，設備無法被固定在某個地方。而且與主動觸覺系統相反，被動動力設備必須指引操作者到期望的地點。Book博士和Black正在嘗試開發先進的被動動力設備控制方案來克服這個困難。

使用圖形系統設計方法

通過圖形系統設計方法，系統設計被分為了幾個步驟。圖形系統設計引入了圖形開發軟件工具和現成的硬件加快內嵌控制設備的設計、塑型和配置進度。研究者采用美國國家儀器公司LabVIEW圖形軟件開發平臺，來設計和模擬觸覺控制系統和遠程操作通訊。將設計的產品配置到實時PXI控制及數據采集系統，來對方案進行測試。測試這種方法的優勢在于，Book博士和Black可以避免在配置產品的時候花費精力進行低端內嵌軟件開發和個性化硬件設計，而全身心投入到反復試驗和設計當中。

研究者可以迅速地將他們的主從控制器運算法則輸入LabVIEW，然后采用高級程序界面裝載動力設備和傳感器。通過采用實際硬件裝載運算法則，他們能夠用真實的數據檢驗理論的正確性。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采集界面，比如timed-loop循環功能。timed-loop循環是一種LabVIEW程序結構，可采集優先權和多線程細節數據。通過這些不同類型的采集方法，工程師和科學家們可以很容易的在他們的軟件上應用多線程功能。這給研究員提供了更多時間來完善設計的產品，而不用花時間在低端代碼開發上。

硬件設計配置

研究員給PXI模硬件系統配置軟件運算法則。這些系統包括確定性的、實時控制器和可接觸試驗觸覺設備傳感器的合適的I/O模塊。采用LabVIEW實時模塊，研究員可以將他們的運算法則配置到PXI控制器上供無頭headless操作使用。他們采用即插即用運動控制模塊來處理線性從電機，并采用多功能數據采集設備來處理定點傳感器。

這項研究的測試儀器采用了二自由度（DOF）操縱器作為主設備控制作為從設備的一自由度（DOF）線性電機。主從設備之間沒有物理連接；取而代之的是，PIX實時控制系統與主設備連接，另外一系統與從設備連接，如圖2所示。PIX系統1采用了NI LabVIEW上的確定性應用程序，可在伽馬力傳感器和主操縱器上的光學編碼器上讀出來。研究員采用該數據來確定主設備位置，并將位置傳送給PXI系統2。

PXI系統2采用主設備位置作為定點向LabVIEW設計的4KHz PD（比例微分）控制器輸出信號運行線性電機同時在光學編碼器上讀出位置數據。從設備受物理結構約束運動受阻。從設備位置通過UDP到PXI系統1被傳回主設備，將數據加載到決定觸覺作用力的控制運算法則中，該觸覺作用力應被作用在用戶身上，讓他們感知物理約束力的存在。該作用力是由磁流變制動器所推動的。系統的目的是讓從設備位置追蹤主設備位置。

Book博士和Black現在正在通過使用基于LabVIEW的動力系統進行模擬試驗和深入研究。使用系統識別技術，研究員可以利用在仿真和反饋試驗中采集的實際數據，建立主設備和從設備之間動力數字模擬結構。他們采用結果不等式結合LabVIEW仿真模塊，算出了模擬不同控制法則之間反饋的實時公式。這個模擬過程幫助他們在實際應用到觸覺設備生產之前，能更快重復性地驗證法則。

總結

這個研究的故事再次表明了現在的科技優勢如何為未來科技鋪路。采用圖像系統設計方法，Book博士和Black利用了內嵌開發民主化的優勢，實現了突破性的研究。

責任編輯：gt