8. SUSTAV ZA DALJINSKO DJELOVANJE

Mnoge od izraza koji definiraju robotska sučelja različiti autori definiraju na različite načine.Sustav za daljinsko djelovanje (engl. teleoperation) može biti upravljanje robotom iliaktuatorom u stvarnom okolišu, koji je udaljen od operatora, a povezani su nekimkomunikacijskim medijem. To znači da netko može upravljati vozilom, robotskom rukom iličovjekolikim robotom (ima ruke i noge). Drugi, pak, definiraju daljinsko djelovanje na užinačin, tj. da su akcije ljudskog operatera uvjetovane udaljenim mehanizmom. Upravljanje nadaljinu može se temeljiti na sličnosti prividnog tijela u izgledu ili funkcionalnosti s fizičkimtijelom. Ta sličnost može pridonijeti osjećaju fizičkog boravka na udaljenoj lokaciji, a tomože voditi ka kvalitetnijoj reakciji s obzirom na situaciju u sceni. Sustav za daljinskodjelovanje je specijalni slučaj sustava prisutnosti u daljini ili teleprisutnosti (engl.telepresence), gdje je uz dojam o prisutnosti na udaljenoj lokaciji potrebno prenijeti iosjetilno-motorne sposobnosti i sposobnosti čovjekovog rješavanja problema u udaljenojokolini. Na taj način moguće je obavljati razne akcije na udaljenim lokacijama gdje čovjek nemože otići, ili zbog opasnosti ili zbog udaljenosti.Prisustvo u daljini definira se kao osjećaj bivanja u okolišu u kojem se ne nalazi fizički. Tajokoliš ne mora nužno biti ni na udaljenoj lokaciji ni uopće na lokaciji u stvarnom svijetu (npr.može se osjećati prisutnim u svijetu video igre) [x4, x2]. Mnogi vjeruju da će povećanaprisutnost na daljinu povećati učinkovitost obavljanja različitih zadataka. Sustavteleprisutnosti ili prividne prisutnosti ima svrhu stvoriti dojam o fizičkoj prisutnosti osobe naudaljenoj lokaciji. Takav dojam moguće je ostvariti ako se računalom generiraju osjetilneinformacije koje stvaraju iluziju o prisutnost na lokaciji udaljenoj od fizičke lokacije [x6].Predstavljanje podataka o udaljenom prostoru obavlja se nekim stupnjem prividne realnosti(stvarnosti).Za razumijevanje prividne stvarnosti potrebno je znati kako čovjek osjeća (percepira)stvarnost. Svi podaci dolaze u mozak gdje se interpretiraju. Za poimanje stvarnosti mozakkoristi složene elektrokemijske procese, a analizira podatke iz svih osjetila, bilo da su onadaljinska (vid, sluh, osjećaj topline) ili kontaktna (moraju receptori dotaknuti molekule mirisa,hrane – okus ili dodirnuti predmet - dodir). Međutim, mozak mora steći neko predznanje osvijetu koji analizira, tj. ima svoj referentni model. Percepcija okolnog svijeta odvija učovjeku na temelju informacija primljenih iz osjetila i uz pomoć znanja koje je pohranjeno uljudskom mozgu. Osjetila primaju informacije ne samo o stanju izvan ljudskog organizma, uvanjskom svijetu, nego primaju informacije i o stanju u ljudskom organizmu.Percepcija je proces pomoću kojeg čovjek prima i interpretira informacije iz okoline. Temeljiprocesa percepcije su i osjetila i mozak.Definicija prividne stvarnosti: Dojam prisutnosti u prividnoj okolini, koja ne postoji ustvarnosti, naziva se prividnom stvarnošću. U tom se slučaju korisnik može kretati uprividnom svijetu i manipulirati objekte koji se tamo nalaze.Ako korisnik vidi samo prividni svijet i ima dojam da se potpuno nalazi u tom svijetu, sustavza prividnu stvarnost je takav da je korisnik uronjen (engl. immersive virtual reality). Akokorisnik vidi prividni svijet na npr. zaslonu ili projektoru, a nije potpuno izoliran od stvarnogsvijeta, korisnik nije uronjen u prividni svijet (engl. non-immersive virtual reality).Značajan napor ulaže se u poboljšanje ili dopunu stvarnosti s nekim elementima prividnogsvijeta. To se zove poboljšana ili dopunjena stvarnost (engl. augmented reality). Realizacijaovakvih sustava u praksi često zahtijeva primjenu koncepta računala koja se oblače (engl.wearable computers) [x7].Da bi se ostvarila simulacija trodimenzionalnog svijeta potrebna su iznimno brza računala.Takva računala imaju brze grafičke kartice i podsustave koji omogućuju generirati u realnomvremenu potrebne grafičke simulacije. Npr. ako se korisnik kreće u prividnom svijetu

računalo mora neprestano pratiti njegove kretanje te izračunavati sliku koju korisnik vidi izsvoje trenutne pozicije. Stoga u memoriji računala mora biti pohranjen cijeli modeltrodimenzionalne prividne okoline. Na temelju modela i trenutne pozicije korisnikaizračunava se slika koju korisnik vidi. To je umjetno generirana pobuda koja se prikazuje kaoslika. Za uvjerljive simulacije računalo mora generirati nekoliko desetaka takvih slika usekundi, što postavlja velike zahtjeve na procesnu moć računala.Neki autori smatraju da prividna stvarnost mora uključivati i trodimenzionalnu grafiku isenzorske podatke. Drugi, pak, daju puno širu definiciju prividne stvarnosti, tako da onauključuje mnogo stvari od telefonskih poziva do video igara. Sučelje se, uz to, možeokarakterizirati kao zaslon prividne stvarnosti, jer stvara prividni svijet koji ima istoponašanje kao i stvarni svijet. Pod prividnom stvarnošću i okolišem obično sepodrazumijevaju simulirani entiteti kojima se upravlja i koji nemaju izravne pandane ustvarnom svijetu. Međutim, postoji i koncept miješanog prividnog sučelja [x1, x2].Ono može biti s poboljšanom stvarnošću (engl. augmented reality, AR) i s povećanomprividnošću (engl. augmented virtuality, AV). Razlika je u tome što AR zaslon prikazuje slikekoje se sastoje uglavnom od slika stvare okoline, ali koja je uvećana ili poboljšanakompjuterom. AR podrazumijeva ili određenu tehnologiju ili kompjutersku sliku 3-D stvarnescene. AV označava prividnu okolinu koja je poboljšana ili uvećana uključivanjem slika iliosjeta iz stvarnog svijeta.Uređaji za praćenje pozicije čovjeka daju informaciju o poziciji glave i smjeru gledanja tedruge podatke, ovisno o primjeni. Ovisno o primjeni, računalo mora pratiti, odnosnokomunicirati i s drugim uređajima. Prvi čimbenik koji je bitan za sustave prividne stvarnostije brzina računala, proračuna u njemu, ali i kompletne komunikacije s perifernim uređajima.Drugi čimbenik su sustavi za komunikaciju između čovjeka i računala (engl. human-computerinterfaces). Ovaj čimbenik je daleko više ograničavajući. Upravo zbog nedovoljnerazvijenosti ovih sustava danas postoje praktična ograničenja u primjenama sustava prividnestvarnosti. Treći čimbenik za određene primjene sustava prividne stvarnosti su brze računalnemreže. One omogućuju aplikacije u kojima je moguće djelovanje na daljinu odnosnokomunikacija više korisnika koji mogu biti na raznim geografskim lokacijama, ali mogu biti uistom prividnom svijetu. Brze računalne mreže temelj su i telemedicinskih primjena.U području sustava za komunikaciju između čovjeka i računala najveći problem predstavljajuuređaji za simuliranje opipa, mirisa i okusa te sustava za povratnu informaciju o sili (engl.force feedback). Osjet opipa i povratna informacija o sili predstavlja temelj za uspješnumanipulaciju objektima. Sustavi koji ostvaruju manipulativne funkcije (engl. haptic1interfaces) na objektima intenzivno se istražuju. U kontekstu sustava za komunikaciju izmeđučovjeka i računala prividna stvarnost otvorila je jedno nove područje istraživanja koje senaziva patologijom simulatora (engl. cyberpathology). Prema vrstama aplikacija sustaviprividne stvarnosti najčešće se koriste za edukaciju, provjeru radnih sposobnosti, treniranje,simulacije, trodimenzionalne vizualizacije, projektiranje s pomoću računala, daljinskeoperacije i manipulacije [x6].Osnovni uređaji za komunikaciju između čovjeka i računala danas uključuju primarne ulaznejedinice, uređaje za praćenje pozicije i izlazne uređaje. Primarne ulazne jedinice sutrodimenzionalne (3-D) ulazne jedinice (3-D miševi2 i 3-D digitizeri3), uređaji za praćenjepokreta ruku (rukavice i robotske ruke) i uređaji za praćenje položaja tijela.

1 Riječ haptic potječe od grčke riječi haptikos, što znači “biti sposoban doći u kontakt s”.2 3-D miševi su slični običnim miševima ali imaju 6 stupnejva slobode, tj. mogu odrediti poziciju u prostoru iorijentaciju u prostoru.3 3-D digitizeri služe za učitavanju 3-D objekata u računalo, što je korisno prilikom projektiranja prividnihsvjetova.

Vizualni pokazivač sustava prividne stvarnosti treba omogućiti stereo vizualizaciju 3-D scene.Najvažniji čimbenik koji određuju kvalitetu pokazivača su: rezolucija, boja (crno-bijelo, sivo,RGB i dr.), svjetlina, slika u pokretu i ergonomski faktori. Najčešće korišteni pokazivači su:pokazivači koji stoje na glavi (engl. head-mounted displays), pokazivači koji stoje na držaču(engl. boom-mounted displays), stereo naočale i projektori. Stereo naočale mogu biti aktivne ipasivne.Manipulacija objekata temelji se na osjetu opipa i povratnoj informaciji o sili. Uređaj za opipomogućuju simulaciju opipa s pomoću vibracija, koje nastaju prilikom kretanja prstiju prekohrapave podloge. Tako čovjek dobiva informaciju o karakteru površine. Davači vibracijapostavljeni na vrhove prstiju i upravljani s pomoću računala simuliraju takve vibracije.Povratna informacija o sili može se generirati samo vanjskim mehaničkim sustavima kojiprenose silu na ljudske ekstremitete. Sustavi za povratnu informaciju o sili temelje se naelektričnim, hidrauličnim, pneumatskim i drugim tehnologijama.Prividni svijet može se izraditi upotrebom 3-D programa za projektiranje računalom u kojimaje moguće izgraditi željenu 3-D scenu sa svim potrebnim geometrijskim elementima. Osimovog pristupa moguće je koristiti i specijalizirane programe za projektiranje scena za prividnustvarnost, koji često podržavaju opis scene s pomoću VRML (engl. Virtual Reality ModelingLanguage) jezika. VRML jezik se često koristi za prikaz 3-D prividnih svjetova zato jer jegledanje takvih scena moguće i s pomoću pretraživača Interneta. Za samo izvršenje simulacijepotrebno je koristiti upravljački program koji kontinuirano očitava ulaze s ulaznih jedinica igenerira izlaze za izlazne jedinice u realnom vremenu [x6].U mnogim slučajevima roboti mogu obaviti posao kada je to nepraktično ili nesigurno zaljude, kao npr. skladištenje ili rukovanje visokoradioaktivnim otpadom, u istraživanju svemirakada je vrijeme putovanja predugo za ljudski život ili je potrebno previše zaliha za održanježivota, na velikim dubinama gdje čovjek ne može dospjeti zbog fizioloških problema, aposebno su područje istraživanja vojne i spasilačke operacije. Posebna se uloga pridajetelekirurgiji, koja može omogućiti da iskusni kirurzi daleko od pacijenta (koji je na otoku ilina ratištu i sl.) izvrše operacije s pomoću robotskih manipulatora. Daljinski upravljani radobavlja sustav ili vozilo, a upravlja se s nekog udaljenog mjesta.Ovakav rad može biti težak zbog različitih razloga uzrokovanih nedovoljnim podacima oprostoru koji bi pomogli u navigaciji i vremenskim kašnjenjem. Ovi čimbenici doprinosegubitku svijesti o situaciji, što je percepcija okoline i korisnika kako će njegove radnje utjecatina okolinu u bliskoj budućnosti.Prvi čimbenik koji priječi svijest o situaciji kod daljinski upravljanog rada je izostanakuobičajenih vidnih orijentira u navigaciji. Ljudski vid jedan je od najboljih u prirodi.Efektivno vidno polje je oko približno 200 stupnjeva, dok je strojni vid ograničenpokretljivošću kamere (je li stalnog položaja, određenog područja pokreta ili se okreće za 360stupnjeva). Da bi stroj mogao ukomponirati dvije ili više slika iz različitih položaja kamera,moraju se razraditi složeni algoritmi obradbe slike. Svaki od njih ima i pojedine nedostatke, anajveći problem je brzina obradbe. Čovjek fokusira visokom rezolucijom dio okoline kojugleda, ali je svjestan i ostatka scene, koju promatra s nižom rezolucijom. To se osobitoprimjećuje kod ljudi koji nose naočale. Oni vide dobro ravno ispred sebe, dok sa strane težeuočavaju predmete i ljude, osobito kad se oko ne može adaptirati pri brzim promjenama.Međutim, niskorezolucijski ljudski vid dovoljan je da smo svjesni okoline, npr. da se ne udariu stup. Tako je nastao i JPEG standard. Proučavanja su pokazala da ograničenje ljudskogvidnog polja značajno smanjuje sposobnost navigacije u stvarnom svijetu.Koriste se također i ostali osjeti, kao ravnoteža, kod koje gravitacija određuje smjer premagore. Kada se vodi robot kroz okolinu u kojoj je mnogo prepreka, ograničeno vidno polje,poremećena razmjernost, nedostatak ulaznih odrednica, i dr., značajno je ugrožena sposobnostljudskog operatera da ostane orijentiran u udaljenom prostoru.

Druga zapreka pravilnom shvaćanju situacije kod daljinskog upravljanja je vrijeme kašnjenjau komunikacijskom kanalu (brzina svjetlosti je ograničenje u svemirskim istraživanjima te zaMars iznosi 8 minuta, za more zvukom oko 2 sekunde i sl., a na Internetu je prijenos podatakapraktično nepredvidljiv) ili u fizičkoj udaljenosti od robota/sustava/vozila. Stoga operator nemože uvijek vidjeti rezultate svojih zapovjedi. Ovo uzrokuje smanjenu sposobnostsamoorijentiranja i krivu procjenu udaljenosti objekata.Uz to, kašnjenje može uzrokovati i nestabilnost u kontrolnoj petlji. Stoga operater možepretjerati s korekcijama pogreški i samim tim uzrokovati novu pogrešku. Može dodatnoopteretiti operatera, jer se mora prisjećati zapovijedi koje je dao robotu otkad su podaci zadnjiput osvježeni. Treba zamisliti novu poziciju robota i novu orijentaciju. Stoga treba povezatinove slike i senzorske podatke sa starima. Korisnici koriste strategiju pokreta i čekanja kakobi znali gdje su.Uobičajeni postupak za sučeljavanje s tim problemom je uporaba predviđanja. Zateleoperatere s dužim komunikacijskim kašnjenjem, crtanje linija u zadnjoj slici može bitikorisno. Robotska vozila na Marsu mogu koristiti linije kako bi znali koliko se vozilopomaklo i u kojem smjeru je trenutno okrenuto.Prividne okoline uranjaju korisnika u umjetnu okolinu, koja je sastavljena od potpunoumjetnih ili kompjutorski stvorenih elemenata. Sučelje tada koristi elemente prividnestvarnosti kako bi korisnik imao uvid u trodimenzionalni prividni vidik.

Slika 8.1: Primjer telerobotskog sustava [x3]

U iračkom ratu, Amerikanci su testirali vojne robotske letjelice za izviđanje i borbu protivoklopa. U budućnosti se očekuje da će se roboti koristiti za razne zadatke, poput izviđanja,nadzora, logistike, izvlačenja ranjenih i sl., a moći će ih nositi vojnici. Upravljanje takvimsustavima je i dalje stresno i zahtjevno, osobito kad teleoperator nije zaštićen u oklopnojplatformi. Stoga je učinkovito međudjelovanje čovjeka i stroja i njegova integracija uupravljačku arhitekturu ključ dobivanja uspješnog polu-autonomnog sustava [x3].Sustavi daljinskog upravljanja mogu se podijeliti i po tome koliko je spoznaja o udaljenomsvijetu poznato: od potpuno nepoznatog modela svijeta do potpuno poznatog. Ovakav sustavmora svakako omogućiti mjerenje stvarnog svijeta, npr. udaljenosti između objekata. Što setiče preciznosti, postoji više utjecajnih čimbenika: odvajanje i poravnanje stereo video kamera(jer ti podaci zajedno određuju nesrazmjer u slici koji određuje dubinu u slici), žarišne duljineleća kamera (određuju nesrazmjer između stvarnog svijeta koji se slika i slike), rezolucijakamera, širina videa i zaslon, sposobnost da se nadiđe diskretna narav zaslona točnošću ispod

piksela, osvijetljenje okoline i kvaliteta hardvera. Pogreškama mjerenja najviše pridonose:pogreške u kalibraciji, izobličenje optičkih leća, pogreške korisnika i pogreška u podsustavuotkrivanja, npr. rubova [x2].

Slika 8.2: Spektar spoznaja o udaljenom svijetu

Zbog kašnjenja uzrokovanih komunikacijama, postoji kratki i period promjenjive dužineizmeđu zapovijedi i provedbe te viđenja provedbe na zaslonu operatera. Kašnjenje jeuzrokovano vremenom putovanja zapovijedi od korisnika do robota, radom robota iputovanjem povratne informacije korisniku. Kako bi se učinkovito upravljalo s daljine, čak ikod relativno malih zaostajanja, korisnik mora biti sposoban predvidjeti kako će prijašnjezapovijedi utjecati na buduće stanje robota ili primijeniti strategiju pokreta i čekanja (engl.move-and-wait). Područje predviđanja vrlo je značajno i otvoreno za nova istraživanja.Kašnjenje posebno dolazi do izražaja u svemirskim istraživanjima, gdje, zbog ograničenjabrzine svjetlosti, nije moguće ostvariti vezu bez kašnjenja nijednim poznatim načinomkomuniciranja. NASA nastoji razviti model u kojem se predviđaju nakane daljinskogoperatera i nastoji pripremiti za njih prije nego su izdane. Taj koncept se temelji napredviđanju koji se objekt želi uhvatiti prije nego se uhvati. Može se proširiti i na složenijeobjekte.Upravljanje robotskim vozilima na daljinu značajno je u daljnjem istraživanju svemira iuključuje se u planove istraživanja Marsa, čak i s ljudskom posadom [x5]. Kad je riječ opokretnim robotima koji će podupirati istraživačke aktivnosti na površini Marsa, važno jenaglasiti da oni moraju biti sastavni dio alata dostupnih posadi u postizanju ciljeva misije.Roboti će biti aktivni u mnogim fazama istraživanja na površini, kao što je napredno izviđanjekod aktivnosti izvan letjelice (engl. External Vechicle Activities, EVA), pomoć kod takvihaktivnosti, podupiranje istraživanja, sakupljanje podataka i nezavisna znanstvena iistraživačka putovanja. Trenutno se planira upravljanje na daljinu kako bi se ubrzao radrobota poboljšanjem učinkovitosti. Roboti će se koristiti i za nadzor, održavanje, popravke islične poslove. Daljinski upravljanim vozilima (engl. Remotely Operated Vehicles, ROV)istraživala se i prije površina, a u ljudskoj misiji na Mars koristila bi se kao prethodnica vozilas ljudima. To će omogućiti vizuelno identificiranje ciljeva ili inspekciju obavljenih radova teodluku da li ljudi trebaju dodatno doraditi posao koji su započeli roboti. Osim robota kojiobavljaju zadatke na tlu, moguće je primijeniti i letjelice s upravljanjem na daljinu (engl.Remotely Piloted Vehicles, RPV) i zračne letjelice bez posade (engl. Unmanned ArialVehicles, UAV) koje mogu poslužiti za zračno izviđanje (za robote na tlu to znači mapiranjeprostora, prepoznavanje ciljeva i zapreka i planiranje kretanja) ne samo područja oko kampa,nego i puno šire.

8.1. OPIPNE NAPRAVE

Opipne naprave ili sučelja su mehaničke naprave koje komuniciraju između korisnika ikompjutera. Omogućuju korisnicima dodir, osjet i manipuliranje trodimenzionalnimobjektima u prividnom okružju i u sustavima za daljinsko djelovanje.Strojevi sa sučeljem osjetom opipa komuniciraju s čovjekom upotrebom sila i kretnji,vibracijama i promjenom mehaničke impedancije. Tip opipnog signala povezan je sa silama ikretnjama, poput joysticka s povratnom informacijom o sili. Daljinskim djelovanjem jeobuhvaćeno upravljanje na daljinu robotom (engl. slave robot), a takvo upravljanje s osjetomopipa je ono kod kojeg ljudski operater upravlja udaljenim robotom tako da dobiva povratnuinformaciju o kontaktnoj sili i kretnjama preko opipnog sučelja.Opip je novije poboljšanje prividnog okoliša. Omogućuju korisnicima opipati i osjetitisimulirani objekt s kojim međudjeluju. Kako bi se međudjelovalo s objektom, mora postojatipovratna veza. Tako npr. korisnik mora osjetiti dodir nekog objekta. Kod međudjelovanjačovjek-kompjuter to znači povratnu silu i dodir. Dodir/opip ili povratna veza opipom (engl.tactile/touch feedback) je izraz koji se primjenjuje na osjete dobivene preko kože, kao što supovršine, teksture, vibracije i dr. Povratnom silom oponaša se izravna sila koja je rezultatčvrstih granica, težine uhvaćenog prividnog objekta, inercije i sl. Povratna veza dodirom, kaodio prividne stvarnosti, prvi put je upotrebljena na MIT-u. Komercijalni proizvodi nastajali suredom: 1993. godine “Touch Master“, 1995. godine "CyberTouch", 1997. godine "FEELitMouse", 1998. godine "CyberGrasp glove", itd. Međutim, istraživanja na ovom područjupotječu još iz 1954. godine kada su u Argonne National Laboratories koristili opip udaljinskom upravljanju robotom u nuklearnom okolišu. 1990. godine su na SveučilištuSjeverne Karoline upotrijebili elektromehaničku ruku kako bi se ostvarila povratna veza silomtijekom prividnog spajanja molekula. Jedan od najranijih oblika opipne naprave koristi se uvelikim zrakoplovima i koristi servo sustave za upravljanje automatskim sustavima slijetanja.Takvi sustavi teže biti jednosmjerni. Kasnije je sustav usavršen u sustav s povratnomopipnom vezom.Opipne naprave su dvosmjerne (izlazno-ulazne), tj. primaju korisnikove zapovijedi i dajunekakvu povratnu informaciju. Znači da prate fizičko manipuliranje (ulaz) i pružajurealistične dodirne osjete koordinirane s događajem na zaslonu (izlaz). Sve ovakve naprave susofisticirane: korisnik rukuje konačnim radnim elementom (npr. manipulatorom u oblikuruke), izlazna veličina se prenosi upravljačkom sučelju vrlo velikom brzinom. Tu seinformacija obrađuje da bi se konačno odredilo položaj radnog elementa. Položaj se tada šaljeračunalu koje izvodi potpornu softversku aplikaciju. Ako se potpornim softverom odredi da jesila reakcije potrebna, kompjuter šalje povratnu silu opipnoj napravi. Aktuatori (motori unapravi) primjenjuju ove sile s pomoću matematičkog modela koji simulira željene osjećaje.Ako se, na primjer, simulira osjećaj grubosti zida s joystickom koji ima povratnu silu, motoriunutar joysticka primjenjuju silu koja simulira susret sa zidom. Kada korisnik pomiče joystickkako bi ušao u zid, motori primjenjuju silu koja se opire prodiranju. Što više korisnik pritišćejoystick da bi prodrijeo u zid, motori primjenjuju jaču silu koja simulira opiranje zida.Konačni rezultat je osjećaj fizičkog susreta s preprekom.Osjetne karakteristike ljudi su takve da je brzina osvježavanja opipa veća od vida. Stoga itakvi senzori imaju osvježenje veće od 300 puta u sekundi, dok se slika osjvežava 20 do 30puta u sekundi. Zbog praktičnosti opipne naprave imaju svoj zaseban procesor, a na glavnomkompjuteru ima dovljno snage za grafiku visoke razine. Današnje komercijalne opipnenaprave mogu se podijeliti na one koje su na zemlji (joystick s povratnom silom i polužne4) ina tijelu (rukavice, odijela, egzoskeletonske naprave) [x8].

4 Engl. linkage-based devices, naprave na načelu poluge.

Najpoznatiji oblik polužne naprave, na tržištu, sastoji se od robotske ruke spojene na olovku.Da se zadovolje zahtjevi opipa potrebni da se osjećaj dodira prevari, potrebni su sofisticirani ihardver i softver za određivanje odgovarajućih kuteva i zakretnih momenata. Ne samo da jeteško upravljati izlaznom silom zbog uvjeta o osvježenju, nego i masa robotske ruke unosiinercijsku silu na koju se mora računati. Cijena takve naprave je, stoga, od 10000 do 100000USD.

Slika 8.3: Primjer komercijalne naprave sa spajanjem

Alternativa napravi s vezom je naprava temeljena na napetosti (engl. tension based). Kodtakvih naprava se umjesto primjene sile nastoji napeti spojne kabele. Položaj zahvata objektamože se odrediti iz duljine svakog kabela pri čemu se motori koriste za njihovo zatezanje.

Slika 8.4: Primjer komercijalne naprave temeljene na napetosti

Osjetna naprava mora biti sposobna oduprijeti se sili koju primjeni korisnik. Isto kao štopoluga omogućuje da se primjeni velika sila s malim naporom, dulje veze u robotskoj ruciomogućuju primjenu veće sile na motore koji upravljaju svijanjem (engl. bending) robotskeruke. Što je veći sustav s vezom, to je veća sila potrebna. Ovo može postati nepraktično, štoznači ograničenje na veličinu sustava s vezom. Kako naprave temeljene na napetostiprimjenjuju silu izravno na točku dodira preko napetosti kabela, nema potrebe kompenziratiučinak poluge.Ovo uklanja ograničenje radnog prostora i iznos sile koje se može primjeniti. Stoga napravetemeljene na napetosti mogu biti od veličine miša do veličine sobe. Kabeli korišteni unapravama temeljenim na napetosti imaju malu masu pa to eliminira problem inercijskihučinaka na točnost primjenjene sile i ne smetaju vidiku.Stereoskopska 3-D projekcija može omogućiti smještanje prividnog objekta u okvir napravekako bi se dodatno odredila lokacija i s opipom. Ove su naprave tek počele izlaziti na tržište.Niski troškovi takvih sustava čine ih posebno pogodnim.

Slika 8.5: Opipno sučelje s 5 stupnjeva slobode - radni prostor je sferičan, promjera 30 [cm],a rezolucija je 7 [µm] [x9]

Slika 8.6: Spona jednog od šest jedinica aktuatora, koja sadrži motor koji okreće aktuatorkroz jednostavni prijenos i optički koder za osjetni štapić

Slika 8.7: Kardanski obruč s tri stupnja slobode na kraju svakog akutuatora omogućujeprijenos aksijalnih sila, maksimalna sila je oko 8 [N]. Čelična jezgra (desno) ima 4 mjerne

trake koje mjere aksijalnu silu

Simulacije kirurških zahvata prvo su područje gdje su se takve naprave pojavile. Jedan odsoftverskih paketa za vizualizaciju je Advanced Visual Systems' (AVS). Može se integrirati sopipnim sučeljem na X-Windows platformi. Osjetni softver je pisan u C-u i implementiran naDSP procesorima upotrebom operativnog sustava u realnom vremenu [x9]. Ovaj softverodređuje orijentaciju i položaj iz izmjerenih duljina, potom interpolira polje podataka da biodredio vrijednosti podataka i trenutni položaj sonde te na kraju računa sile i momente, kakobi se odredile zapovijedi za svaki aktuator, povezane sa zakonima upravljanja. Ovi proračunise ponavljaju 2000 puta u sekundi te pružaju visokokvalitetne povratne podatke, bezzaostajanja zbog proračuna i bez neželjene elektro-mehaničke dinamike.Teleoperatori su robotski alati kojima se upravlja s daljine [x10]. Kad su kontaktne silereproducirane operatoru naziva se "opipnom teleoperacijom". Kad se takva naprava simulira spomoću kompjutora, korisno je pružiti povratnu silu kako bi se dobio osjećaj pravih operacija.Kako objekti kojima se rukuje ne postoje u fizičkom smislu, sile se generiraju uporabomopipnih operatorskih komandi. Podaci koji predstavljaju dodirne osjete mogu se sačuvatiuporabom takve opipne tehnologije. Opipni simulatori trenutno se koriste u medicinskimsimulatorima i simulatorima leta. Ponegdje se koristi i promjena temperature za upravljanjesustavom. Osjet je i široko raširen kao ključni dio sustava prividne stvarnosti uključujući irješenja na lap-topima temeljena na prividnoj stvarnosti. Neka istraživanja vode istraživanjudrugih osjeta s pomoću brzih vibracija ili drugih stimulansa. Oni, naravno, ne daju realističanosjet, ali pružaju korisnu povratnu informaciju.

8.2. PRORAČUN SILE

Proračun sile je proces računanja sile koju operator u dodiru s opipnom napravom osjeća. Kadse radi o izravnom upravljanju, korisnikove radnje se izravno koriste za odeđivanje brzinekretanja robota. Kad korisnik odredi logični položaj sonde, sila koju korisnik osjeća računa seiz informacija o položaju prepreka koje okružuju robota. Laserski skeneri ili sonari priključenina robota daju informaciju o položaju prepreka kao listu vrijednosti udaljenosti između robotai prepreka. Slika 8.9 prikazuje proces povratne veze silom iz korisnikove akcije [x11].

Slika 8.8: Različite kretnje sonde

Slika 8.9: Povratna sila iz korisnikove akcije [x11]

Razmatrane su dvije vrste sila: „okolišna“ i „preventivna“ (spriječava sudar). Ona koja je jačaizabrana je za povratnu vezu upravljačkog sustava. Neka su te sile označene s (Fe,x, Fe,z) i(Fc,x, Fc,z). Konačna proračunata sila određena je s:

(Fx, Fz) = (max{Fe,x, Fc,x}, max{Fe,z, Fc,z}) (1)

Slika 8.10: Razmatrane prepreke s obzirom na kretanje robota [x11]

Tablica 8.1: Kretnje robota uz sliku 8.10

Bitna područja UvjetiA i B z < 0 (kretnja naprijed)C i D z > 0 (kretnja natrag)A i C x < 0 (skretanje ulijevo)B i D x > 0 (skretanje udesno)

8.2.1. Okolišna sila

Okolišna sila spriječava kretanje i okretanje robota prema preprekama davanjem korisnikuinformaciju o udaljenosti između robota i prepreka u obliku sile. Ova sila je slična klasičnompolju potencijalne sile koja se koristi za planiranje putanje pokretnog robota. Okolišna sila jerazličita od potencijalne sile:

1. nema privlačenja k cilju, jer se ne zna položaj cilja,2. razmatraju se samo prepreke u relevantnom području (prema logičkom položaju

sučelja), npr. prepreke koje su u suprotnom smjeru od smjera kretanja robota nisubitne,

3. umjesto prosječneg zbroja sila prema preprekama, koristi se maksimalna sila prekosvih prepreka. Ako bi se koristio prosjek, stvarni domet primijenjene sile bio bipremalene.

Kada je logička pozicija sučelja dana s (x, z), okolišna sila Fe =(Fe,x, Fe,z) je dana s (vidi

sliku 8.11):

<−≥=

+

−0)(

0)(3

3, xzaxDfk

xzaxDfkFx

xxe (2)

<−≥=

+

−0)(

0)(4

4, zzaxDfk

zzaxDfkFz

zze (3)

gdje je:

−

−= −=

− ii

ix

n

ix r

rddDf θφ cos)(max)(max

max

1,

−

−= +=

+ ii

ix

n

ix r

rddDf θφ cos)(max)(max

max

1,

−

−= −=

− ii

iz

n

iz r

rddDf θφ sin)(max)(max

max

1,

−

−==

ii

iz

n

iz r

rddDf θφ sin)(max)(max

max

1,

− ><=− einač

irdzad iiix 0

0cos1)( max θφ ,

− <<=+ einač

irdzad iiix 0

0cos1)( max θφ ,

− ><=− ečani

irdzad iiiz 0

0sin1)( max θφ ,

− <<=+ ečani

irdzad iitz 0

0sin1)( max θφ ,

− D = {(d1, θ1), (d2, θ2), ..., (dn, θn)},− di udaljenost između i-te skenirane prepreke i robota,− θi kut i-te skenirane prepreke,− rmax maksimalna udaljenost sa koje sila, zbog prepreke, utječe na robota.

Funkcija f +z predstavlja maksimalnu vrijednost z komponente za sve sile prepreka ispredrobota i koristi se za napredovanje robota unaprijed. Ako vrijednost prelazi 0, robota sespriječava u kretanju naprijed. Funkcije f -z, f +x, f -x definirane su slično te se primjenjujukada se robot kreće unatrag, ulijevo i udesno.

Slika 8.11: Ilustracija f+z u koordinatnom sustavu robota

Sila zbog prepreke je obrnuto razmjerna udaljenosti di između robota i prepreke te ne utječena robota kad je udaljenost jednaka ili veća od rmax. Promjenom rmax korisnik može prilagoditidomet na kojem utječe prepreka na robota. Treba primjetiti da je svaka točka dobivena sasenzorima udaljenosti smatrana preprekom. Vrijednosti k3 i k4 su konstante za podešavanjeiznosa sile. Ako imaju velik iznos, robotom je teško upravljati, jer je povratna sila prevelikačak i kad je robot daleko od prepreke. S druge strane, ako su konstante premalene, operaterneće osjećati silu. Pravilna vrijednost za obje konstante je oko 0,1, a određuje se empirijski.Iako okolišna sila do neke mjere spriječava robota u kretanju naprijed i okretanju premapreprekama, nema garancije da neće doći do sudara. Prvi razlog je što je robot modeliran kaotočka, a u stvarnosti može imati bilo koji oblik. Drugi razlog je modeliranje prepreke kaopoligona čije su točke na površini nađene sa senzorom udaljenosti. Sila tada samo usporavarobota kada je prepreka u blizini. Da bi navigacija bila bez sudara, uvodi se sila kojaspriječava sudare (engl. collision-preventing force). Da bi se izbjeglo sudare mogu se koristitii tehnike kod kojih se uvode veće vrijednosti za k3 i k4 (kao npr. oko 0,3 ili više u [x11]) iupotrebljava radijus robota (engl. region-growing technique), ali to nije najsretnije rješenje,jer se može smanjiti stupanj slobode upravljanja zbog okolišne sile koja može spriječitikorisnika da pomiče robota kada je u blizini prepreke (čak i kad prepreka nije u smjerukretanja robota). Važno je primijetiti da se udaljenost od svih prepreka u relevantnompodručju razmatra kod proračuna okolišne sile.

8.2.2. Sila sprječavanja sudara

Sila sprječavanja sudara računa se iz mogućih kuteva skretanja i udaljenosti između robota iprepreka ispred i iza robotovog smjera gibanja. Mogući kutevi okretanja su maksimalni kutevikod kojih se robot može okrenuti bez sudara. Dva su tipa tih kuteva, lijevi (u smjerusuprotnom od kazaljke na satu), δccw, i desni (u smjeru kazaljke na satu), δcw, jer se robot možeokretati udesno i ulijevo. Udaljenosti između robota i prepreke unaprijed i unatrag sumaksimalne udaljenosti (dfront i drear) prema kojima se roboti mogu kretati unaprijed ili unatragbez sudara. Slika 8.12. prikazuje primjer ovih udaljenosti. Kad je logički položaj sučelja (x,z), sila sprječavanja sudara Fc = (Fc,x, Fc,z) dana je s:

( )

( )

>−<−

>−≥−

=00

00

5

5

,

ccwavgavg

cwavg

cwavgavg

ccwavg

xc

ixzaxk

ixzaxkF

δδδ

δδ

δδδ

δδ

(4)

><−−

≤<−

=

einač

ziddzazd

ddk

ziddzazd

ddk

Frear

rear

frontfront

zc

0

0

0

maxmax

max6

maxmax

max6

, (5)

gdje je 2

cwccwavg

δδδ += .

Slika 8.12: Primjer udaljenosti gledano iz robota kao ishodišta koordinatnog sustava

Apsolutna vrijednost z komponente sile sprječavanja sudara, |Fc,z|, je obrnuto razmjerna dfront

kada se robot kreće unaprijed, a drear kada se robot kreće unatrag. Slanjem tih komponenti silekorisniku kada se robot kreće prema prepreci, može se spriječiti sudar. Korisnik možeupravljati brzinom napredovanja i brzinom okretanja robota kada je robot na sigurnojudaljenosti od prepreke (koja je jednaka ili veća dmax).Komponenta sile, Fc,x, sprječava robota da se sudari s preprekom kad korisnik namjeravaskrenuti ulijevo ili udesno. Fc,z , Fc,x se računaju upotrebom relativne razlike mogućih desnih ilijevih kuteva skretanja. Relativnom razlikom korisnik može promijeniti smjer kretanja robotasmanjujući problem. Konstantne vrijednosti k5 i k6 igraju sličnu ulogu kao i k3 i k4 ujednadžbama (2) i (3).Iako sila sprječavanja sudara garantira da se robot neće sudariti s preprekom, nepraktično ju jekoristiti samu. Kod slučaja kad se mala prepreka nalazi naprijed-desno, a robot se gibanaprijed i okreće udesno istovremeno velikom brzinom. U tom trenutku, nema preprekeispred robota tako da je vrijednost z komponente sile jednaka nuli. Iznenada se objektpojavljuje ispred robota tijekom okretanja, a vrijednost sile se naglo mijenja na vrlo visokuvrijednost. Ovaj nagli porast sile može ozlijediti korisnika. Stoga bi se ova sila trebala koristitizajedno s okolišnom silom, koja igra ulogu ublaživača za nagli porast sile u sili povratne veze.

Slika 8.13: Primjer nagle promjene sile