In the research area of virtual reality, the term haptic rendering is defined as the process of computing and generating the interaction force between the virtual object and the operator. One of the major challenges of haptic rendering is the stably rendering contact with a stiff object. Traditional haptic rendering algorithms performs well when rendering contact with soft objects. But when it is used to simulate contact with objects with high stiffness, the algorithm may cause unstable response of haptic devices. Such unstable behavior (e.g., oscillation of the device) can destroy the fidelity of the virtual environment and even hurt the user. To address the above stability issues, a new design approach has been proposed in this paper. The proposed approach consists of three main process steps: modeling and linearization in ADAMS, LQR position controller design, verification with co-simulation. In the first step, a simulation model of the system is firstly created in ADAMS/View. Then this nonlinear ADAMS multi-body dynamics model is linearized and exported as a set of linear state space matrices with the help of ADAMS/Linear. In the second step, different from the traditional force-control algorithms, LQR position controller is developed in Matlab Simulink based on the exported matrices to emulate interactions with stiff objects. At last, the verification of control performance is carried out by setting up co-simulation between ADAMS and Simulink. A case study implementation of this proposed method was performed on the TAU device which was previously developed by Machine Design department at KTH. TAU is an asymmetrical parallel robot with six degrees of freedom for the simulation of surgical procedures like drilling and milling of hard tissues of bones and teeth. The results show that the linear model exported from ADAMS is sufficiently accurate and the proposed controller can render a virtual wall with stiffness at the level of 105 N/m. / Inom forskningsområdet virtuell verklighet definieras termen hatisk återgivning (haptic rendering) som processen för beräkning och generering av interaktiva krafter mellan det virtuella objektet och användaren. En av de största utmaningarna med haptisk återgivning är att stabilt simulera känslan av beröring av styv material för användare. Traditionella algoritmer fungerar när det gäller att simulera känslan av beröring av mjuk material, men när algoritmerna används för att simulera kontakt med materialer med stor styvhet kan det orsaka instabilitet hos haptiska enheter. Sådana instabilitet, bland annat svängning hos enheten, kan förstöra den virtuella miljöns exakthet och till och med skada användare. Denna uppsats försöker ta itu med det ovanstående problemet genom att föreslå en ny designmetod. Metoden består av tre huvudsteg: modellering och linearisering med hjälp av ADAMS, design av LQR-positionskontroll, och verifiering med samsimulering (co-simulation). I det första steget skapas systemets simuleringsmodell med hjälp av ADAMS/View. Sedan linjäriseras denna icke-linjära ADAMS-multikroppsdynamikmodell. Modellen exporteras som linjära tillståndsmatriser med hjälp av ADAMS/Linear. I det andra steget designas en LQR-positionskontroll med hjälp av Matlab Simulink baserat på de exporterade matriserna tidigare för att simulera interaktioner med styv material, vilket skiljer sig från de traditionella kraftkontrollalgoritmer (force-control algorithms). I det sista steget utförs verifieringen av positionskontrollens prestanda genom att ställa in samsimulering (co-simulation) mellan ADAMS och Simulink. En testkörning av denna föreslagna metod har utförs på TAU-enheten som tidigare utvecklades av KTH institutionen för maskinkonstruktion. TAU är en asymmetrisk parallellsrobot med sex frihetsgrader för att simulera kirurgiska ingrepp som borrning av hårda vävnader i ben och tänder. Resultaten visar att den linjära modellen som exporteras från ADAMS är tillräckligt korrekt, för den föreslagna positionskontrollen kan framställa en virtuell vägg med styvhet vid 105 N/m.
| Identifer | oai:union.ndltd.org:UPSALLA1/oai:DiVA.org:kth-293508 |
| Date | January 2020 |
| Creators | Zhang, Yang |
| Publisher | KTH, Skolan för industriell teknik och management (ITM) |
| Source Sets | DiVA Archive at Upsalla University |
| Language | English |
| Detected Language | Swedish |
| Type | Student thesis, info:eu-repo/semantics/bachelorThesis, text |
| Format | application/pdf |
| Rights | info:eu-repo/semantics/openAccess |
| Relation | TRITA-ITM-EX ; 2020:522 |
Page generated in 0.0027 seconds