A mechatronic system tracking human fing
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Parmak Hareketlerini Takip Eden Mekatronik Bir Sistem
A Mechatronic System Tracking Human Finger Motions
Sezcan Yılmaz, Naci Zafer
Makine Mühendisliği Bölümü
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi
sezcan@gmail.com, nacizafer@gmail.com
algılayıcısı kullanılanlardır. Bazı sistemlerde ise çalışma
prensibi olarak manyetik alan kuvvetinin değişiminden
yararlanılmıştır. Tüm bu yöntemleri kullanılarak yapılmış
cihazların belli başlı örnekleri “Haptic Interfaces and Devices”
başlıklı bir çalışmada incelenmiştir [1]. Bu alandaki önemli
çalışmalardan birini Yoshikawa ve Nagura [2,3] rapor etmiştir.
Bu çalışmada fiber algılayıcılar kullanılarak sistemin bağlı
olduğu hareketli platformun kontrolü sağlanmıştır. Sistemin
çalışması karşılıklı olarak yerleştirilen fiber optik alıcı ve
vericinin araya bir cisim girmesi ile arasındaki optik bağlantının
kopması, cismin oradan ayrılmasıyla yeniden anahtarlamanın
sağlanması prensibine dayanmaktadır. Bir halka üzerine
sistematik olarak yerleştirilen 8 grup algılayıcıdan meydana
gelen sistem kullanıcının parmağının 2 serbestlik derecesinde
konum değişimini okumaktadır. Ancak bu algılayıcının her
yönde sadece 2 anahtarlama kademesi mevcuttur. Kullanıcının
parmağı bu iki anahtarlama kademesini de aşıp halkanın
sınırına dayandığında ise sistem üzerindeki kuvvet algılayıcıları
vasıtasıyla konum takibinin yanında kuvvet algılayıcılarından
alınan verilerin işlenip geri-beslenmesiyle de kontrol sistemini
yönlendirmektedir. Temassız takip sağlamaya yönelik diğer bir
çalışmada parmak ucuna takılacak ışık yayan bir aparat ve bir
robotun ucuna takılacak bir ışık algılayıcısı kullanılarak
çalışacak bir sistem önerilmiştir [4]. Salcudean ve Parker [5]
tarafından gerçekleştirilmiş bir çalışmada 6 serbestlik dereceli
ve manyetik kuvvet geri-besleme (KGB) sağlayabilen bir
joystick tasarlanmıştır. Konum okuması LED’ler ve foto
diyotlardan oluşan bir algılayıcı sistemiyle, kuvvet geribeslemesi ise manyetik alan kuvvetinden yararlanılarak
sağlanmıştır. Bir diğer çalışma Massie ve Salisbury [6]
tarafından gerçekleştirilmiş olup kullandıkları sistem ticari ismi
“Phantom” olan tersten sürülebilir küçük bir robotik kolla test
edilmiştir. Bu kolda kullanıcının parmağını robotik kolun son
efektörünü fiziksel kuvvet uygulayarak hareket ettirmesi
sonucunda robotik kolun son efektörünün konumu ve
yönelimindeki (oryantasyonundaki) değişmeye bakılarak
parmağın konum değişimi belirlenmektedir. Buna çok benzer
bir çalışmada parmağın konulduğu uç aparat farklılaştırılarak
dokunma hissine de hitap edilmeye çalışılmıştır [7]. Diğer bir
çalışmada beş parmağa birden eş zamanlı olarak farklı KGB
yapabilen bir sistem önerilmiştir [8]. Bunların yanında bazı
çalışmalarda kamera kullanarak çekilen görüntülerinin resim
işleme teknikleriyle yorumlanması ile parmak konumunun
belirlendiği sistemler de vardır [9-12]. Bu sistemlerin en büyük
dezavantajı yüksek bir hesaplama gücüne ihtiyaç duymalarıdır.
Bu ihtiyaç nedeniyle günümüz bilgisayarları ile gerçek zamanlı
haptik uygulamalar için gerekli olan tarama frekanslarına henüz
erişilememiştir.
Özetçe
Bu çalışmayla kullanıcının parmak konumunu temassız olarak
takip edebilen gerçek bir mekatronik sistem tasarlanmış ve
gerçekleştirilmiştir.
Parmak
konumundaki
değişimler
mikrodenetleyici temelli halka şeklindeki bir algılayıcı sistemi
vasıtasıyla bulunmakta ve alınan verilerle tek kutuplu bir adım
motor vasıtasıyla sürülen bir serbestlik dereceli bir cihaz
kontrol edilmektedir. Algılayıcı halka çapı parmak çapından
daha büyük olacak şekilde imal edilmiş ve bu sayede halka ile
parmak arasında parmağın hareketi vasıtasıyla kontrol edilen
cihazın sürülmesine izin verecek bir boşluk oluşturulmuştur.
Toplanan deneysel verilerden tasarlanan sistemin oldukça iyi
sonuçlar verdiği görülmektedir. Eldeki sistemin kullanıcının
parmak hareketlerini maksimum 120 mm/s’ye kadar olan
hızlarda başarılı bir şekilde takip edebildiği gösterilmiştir.
Abstract
This work presents the design and implementation of a genuine
mechatronic system enabling contact free tracking of an
operator’s finger position. The variation in finger-position is
detected by means of a micro-processor-based ring-shaped
optical sensing system and the obtained data is then used to
actuate a one DOF device driven by a unipolar stepper motor.
The radius of the ring is made larger than that of the finger and
collision of the finger with the ring is prevented by the
controller forcing the device follow the motions of the finger.
Experimental data collected is presented to illustrate the
effectiveness of the designed system. Although the device used
is mostly made of junk parts, it can track the position of the
operator’s finger at the maximum speed of 120mm/s.
1. Giriş
Bu çalışmada kullanıcının parmağının konum değişimini takip
eden özgün mekatronik bir sistemin tasarımı gerçekleştirilmiş
olup, sitemin inşası ile de tasarlanan sistemin uygulanabilirliği
gösterilmiştir.
Kullanıcının
parmağının
konumundaki
değişimler bir algılayıcı sistemi ve buna bağlı olan bir
mikrodenetleyici yardımıyla tespit edilerek, sistemin bağlı
olduğu hareketli platformun kontrolü sağlanmıştır. Burada en
önemli nokta hareket takibi esnasında parmak ve hareketli
sistem arasında hiçbir fiziksel temas olmamasıdır.
Benzer çalışmalar robotik uygulamalarında daha önce rapor
edilmiştir. Bu çalışmalarda birbirinden çok farklı sistemlere
rastlanmaktadır.
Bunlardan en çok rastlananlar kuvvet
343
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Bu çalışmada, yukarıdakilerden farklı olarak temassız
hareket takibini mümkün kılan Şekil 1’de görülen algılayıcı
sistemi tasarlanmıştır. Yoshikawa ve Nagura’nın [2,3]
tasarladıkları algılayıcı sisteminde 2 serbestlik derecesinde
temassız hareket takibi yapabilen bir sistem ancak anahtarlama
prensibi ile çalıştığından yeterince hassas hareket takibi
mümkün değildir. Geliştirilen algılayıcı sistemi ile 4 serbestlik
derecesinde temassız konum algılaması mümkün kılınmış olup,
örnek olarak tek eksende hareket kontrolü ile geliştirilen sistem
test edilmiştir. Her ne kadar tek eksenli olarak oluşturulan
deneysel
platform
yetersiz
ise
de,
sistemin
genelleştirebileceğini gösterir bir uygulamadır. Sisteme ilave
edilebilecek bir kuvvet algılayıcısı ile haptik etkileşim de
simüle edilebilir.
Şekil 3: Sistemin blok diyagramı
2.1. Kontrol Kartı
Kontrol kartı (Şekil 4) sistemi yöneten birimdir.
Algılayıcılardan gelen analog veriler mikrodenetleyici de dahili
olarak bulunan A/D dönüştürücü vasıtasıyla anlamlı dijital
veriler haline dönüştürülür. Anlamlı hale getirilen bu veriler
mikrodenetleyicinin
yazılımı
vasıtasıyla
yorumlanır.
Yorumlama sonucunda gerekirse adım motor sürücüsüne
sinyaller gönderilerek mekanik sisteme hareket verilir. Kontrol
kartının diğer bir görevi ise eksen üzerinde bulunan limit
anahtarları kontrol etmek ve mekanik eksen dışına taşan eksen
hareketlerini engellemektir. Kontrol kartında mikrodenetleyici
olarak PIC16F877 tercih edilmiştir. PIC16F877’nin A/D
dönüşüm işlemi yaparken analog verinin alınması esnasında
kullanılan örnekleme zamanı uygulama performansı için
önemlidir.
Örnekleme
zamanının
belirlenmesinde
PIC16F877’nin kullanım kılavuzundaki “A/D Dönüşüm
Gereksinimleri” tablosundan faydalanılmıştır. Örnekleme
zamanının seçiminde önemli iki faktör vardır. Birincisi A/D
dönüşümünde kullanılacak osilatör tipi, ikincisi ise ne kadar
hassas bir ölçüm sonucu istenildiği ile ilgilidir. Tasarlanan
cihazda A/D dönüşüm osilatörü olarak RC osilatör tercih
edilmiş ve ölçüm hassasiyeti olarak da standart bir ölçüm
hassasiyeti seçilmiştir. Bu durumda tablodan yaklaşık 48μs’lik
bir örnekleme zamanı kullanılması gerektiği görülmüştür.
Şekil 1: Tasarlanan temassız takip cihazı
2. Sistem Yapısı
Gerçekleştirilen algılayıcı, Şekil 2’de görüldüğü gibi LED
ışık yayıcılar (açık renk) ve foto-transistörlerin (koyu renk)
belirli bir düzende yerleştirilmesi ile oluşturulmuştur.
Algılayıcının temel çalışma prensibi takibi yapılacak ya da
konumu okunacak olan parmağa LED’ler vasıtasıyla ışık
göndermek sonra da parmak üzerinden yansıyan ışığın
seviyesinin
foto-transistörler
vasıtasıyla
ölçülerek
yorumlanması esasına dayanmaktadır.
Şekil 4: Kontrol kartı
2.2. Algılayıcı Sistemi
Şekil 2’de görüldüğü üzere algılayıcı sistemi halka şeklinde iki
algılayıcı gözü ve her gözde 8 adet algılayıcı hücresinden
oluşmaktadır. Bir algılayıcı hücresi de iki LED ve bir fototransistörden meydana gelmektedir. Sistem boyutlandırılırken,
çalışma şeklinden dolayı, insan parmağının boyutları,
kullanılan devre elemanlarının boyutları ve optik özellikleri göz
önüne alınmıştır. Hesaplanan boyut bilgileri ışığında okuma
alanında hareket değişiminin temassız olarak gözlenebilmesi
için, devre elemanların yerleştirileceği çap ölçüsünün 50mm
olarak seçilmesinin uygun olacağı görülmüştür. Bu kısıtların
dikkate alındığı durum için algılayıcının son boyutları Şekil
5’te görülmektedir.
Şekil 2: Algılayıcı sistemi
Tasarlanan sistemin genel mimarisinin prensip diyagramı
Şekil 3’te görülmektedir.
Cihaz temel olarak; algılayıcı
sistemi, sistemin kontrolünü sağlayan kontrol kartı, motor
sürücüsü ve motor-araba ikilisinin oluşturduğu mekanik
aksamdan oluşmaktadır.
344
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
seviyesinden etkilenmemesi adına, sadece ilgili hücrenin
LED’leri açıkken foto-transistörden yapılan ölçümden ortam
ışığı altında (LED’ler kapalıyken) alınan ölçümün değeri
çıkartılarak elde edilen değer üzerinden her hücre ayrı ayrı
kalibre edilmiştir.
Parmakların
tam
olarak
silindirik
bir
yapı
göstermemesinden ve bu nedenle her yerinde sabit bir çapa
sahip olmamasından dolayı, parmağın bir algılayıcı gözü
içerisindeki konumunun belirlenmesinde öncelikle ardışık
hücreler ikili gruplar halinde düşünülerek parmak çevresindeki
çeşitli konumların koordinatlarının belirlemesi gerekir.
Buradan hareketle ardışık iki hücre için,
Şekil 5: Algılayıcı sisteminin önemli çap ölçüleri
Sistemde kullanılan LED’lerin ışık huzmesi ışığın oluştuğu
nokta merkez olmak üzere tepe açısı 35° olan koni şeklinde
yayılmaktadır. Bu durumda hücreyi oluşturan iki LED’den
çıkan ışık ışınlarının kullanıcının parmağına ulaşana kadar
(LED’in ucundan itibaren maksimum 25mm boyunca)
mümkün olduğunca yoğun ve doğrusal olmaları önemlidir. Bu
değerlendirmeye bağlı olarak, LED’ler arasındaki açı 30°
olarak seçilmiştir. Bu durumda gönderilen ışık huzmesi Şekil
6’daki gibi oluşmaktadır.
Algılayıcı sisteminin fiziksel
boyutları göz önünde bulundurulduğunda bir algılayıcı
gözünün 8 hücreden oluşmasının uygun olacağı görülmüştür.
‖
‖
(1)
‖
‖
(2)
denklemleri yazılabilir. Burada
parmağın
ölçülen kenarının . noktasının yaklaşık koordinatını,
ise . hücrenin fototransistörünün algılayıcı
merkezinin konum koordinatını göstermektedir ve bu değer
cos "2# $ sin "2# $'
(3)
ifadesi kullanılarak hesaplanabilir. Burada foto-transistörün
algılayıcı merkezinin algılayıcı gözünün merkezine olan
uzaklığını ifade etmektedir, önerilen algılayıcı için
21.5mm’dir. Denklem (1) ve (2)’de verilen vektörel iki ifade
açılarak yazıldığında,
)
)
*
)
+ ,*
)
+
)
(4)
)
(5)
*
+ ,*
+
ifadelerine ulaşılır. Bu iki denklem birlikte çözüldüğünde iki
kök elde edilir. Bu iki kökten, konum koordinatı algılayıcı gözü
içerisinde olan kök olarak belirlenir. Gözdeki tüm hücreler
için bu işlem tekrarlanarak parmak çevresinde gözdeki hücre
sayısı kadar noktanın koordinatları tespit edilir ve parmak
merkezinin algılayıcı gözü içerisindeki konumu
∑/0
12
(6)
-
Şekil 6: LED’lerin gönderdiği teorik ışık huzmesi
2.3. Hareket Sistemi
Hareket sistemi olarak bir bilgisayar yazıcısının mekanik
aksamından yararlanılmıştır. Bu mekanik aksam Şekil 1’de
görüldüğü gibi bağlı olduğu arabaya hareket veren bir ucu
kendisini tahrik eden motorun dişlisinde diğer ucu gerdirme
kasnağında olan bir dişli kayış mekanizmasından ibarettir.
Üzerinde bulunan motor tek kutuplu adım motor olup basit bir
motor sürücüsü yardımı ile sürülmektedir. Mekanik aksam
üzerinde bulunan adım motor özel olarak seçilen bir motor
olmadığından istenilen performans özelliklerini tam olarak
karşılayamamaktadır. 48 adımlı olan motorun bir adımı
7.5° ’dir. Motor yarım adım sürüldüğünde dahi hassasiyeti
ancak 3.75° olmaktadır. Bu dişli kayış mekanizmasından elde
edilen doğrusal harekette bir adımın 0.084mm ’ye karşılık
gelmekte ve motor yarım adım sürüldüğünde hareket
hassasiyeti 0.042mm olmaktadır. Bu değer profesyonel bir
sistem için yeterli olmamakla birlikte basit bir mekanizma ve
bu test için yeterli bir hassasiyet olarak görülebilir. Mekanizma
üzerindeki arabaya doğrusal olarak yaptırılabilen maksimum
hız boşta 200mm/s’dir.
şeklinde hesaplanabilir. Bu algoritma vasıtası ile ön göz ve arka
göz için iki grup konum koordinatı verisi hesaplanır. Böylece
algılayıcı tarafından algılanabilen uzayda parmağın yeri, 2
konum ve 2 yönelim(oryantasyon) olmak üzere 4 serbestlik
derecesinde belirlenmiş olur.
Bir algılayıcının bir kez okunması için 48μs ’lik bir
örnekleme zamanına ihtiyaç olduğu ve algılayıcı sisteminde 16
foto-transistör bulunduğu ve bunların her birinin her çevrimde
iki defa okunduğu düşünüldüğünde bu çalışmada kullanılan ve
görece düşük hızlarla çalışmakta olan bir mikrodenetleyiciyle
bile algılayıcı sistemi yaklaşık olarak 500Hz ’le veri
üretebilmektedir.
2.4. Konum Hesabı
Bir gözdeki toplam hücre sayısı
8 olmak üzere, hücreler
Şekil 7’de eksenine çakışık olanlardan sağda yer alan hücre 0
olmak üzere saatin tersi yönde artarak son hücre 7 olacak
şekilde numaralandırılmıştır. Her bir hücre için ışık seviyesi
ölçümü sonucunda parmağın . hücreye olan uzaklığı (kesikli
çizgi ile gösterilmiştir)
ile temsil edilmektedir.
mesafesinin belirlenmesinde, kalibrasyonun ortamın ışık
Şekil 7: Algılayıcı sisteminin koordinat eksenleri
345
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Simülasyonda kullanıcı parmağının zamana bağlı konum
değişimi ve algılayıcı sisteminin kullanıcı parmak hareketini
takibi esnasındaki konum değişimi verilerinden elde edilen
konum-zaman grafiği Şekil 8’de gösterilmiştir. Simülasyon
boyunca maksimum konum hatası 11mm ve ortalama takip
hatası 4.9mm (takip hatasının standart sapması, 8
3.6mm)
olarak gerçekleşmiştir. Şekil 9’da parmak ve arabanın hızzaman grafiği yer almaktadır. Buradan cihazın hareket takip
hızının yaklaşık 120mm/s olduğu görülmektedir.
Şekil 8’den görüldüğü üzere, simülasyonun ilk 5
saniyesinde sistemin kullanıcı parmağının hareketini
ekseninin sistem sınırlarına kadar maksimum hızda hiçbir
duraklama olmadan takip ettiği görülmektedir. 5-17’inci
saniyeler arasında duruş kalkışlı bir hareket tercih edilmiş olup
parmağın hareketini durdurması durumunda (Şekil 9’dan hızın
sıfır olduğu, yaklaşık olarak 5-6, 6.5-7, 8-8.5, 9.5-10, 11-11.5,
12.5-13, 13.5-14.5, 15-15.5 ve 16-16.5 saniyeleri arasında
parmak hareketi durdurulmuştur), Şekil 8’den arabanın takip
hatasının neredeyse sıfıra yaklaştığı görülebilir. Parmağın
durmasıyla birlikte takip hatasının neredeyse sıfırlanması,
mekanik sistemin maksimum hız değerinin yetersiz olduğunu
açıkça göstermektedir. 18-21 ve 23-26 saniyeleri arasında,
algılayıcı sisteminin kullanıcı parmağının sürekli olarak ani yön
değişime yapması hareketini takibi esnasında sistemin
davranışı görülmektedir. Şekil 9’a baktığımızda bu zaman
aralığında cihazın hareket takip hızının oldukça değişken
olduğu görülmektedir. Bunun başlıca sebebi araba maksimum
hıza ulaşana kadar parmağın yön değiştirmesidir. Bu zaman
aralığında maksimum konum hatalarının gerçekleştiği
noktaların ortak özelliği, hepsinin yön değişimlerin meydana
geldiği anlarda gerçekleşmiş olmalarıdır. Buradan ani yön
değiştirmelerde konum hatasının ortalama konum hatasının
yaklaşık iki katına kadar çıktığı görülmektedir. Şekil 8’den
algılayıcı sisteminin kullanıcı parmağını oldukça başarılı bir
şekilde takip ettiği görülmektedir.
4. Deneysel Çalışma
Cihaz performansı, kullanıcı parmağının akıcı, duruş kalkışlı ve
ani yön değiştirmeli hareketleri için yapılan deneylerle
belirlenmiştir. Deneylerde kullanıcı parmağının ve algılayıcı
sistemi merkezlerinin ekseni boyunca zamana bağlı konum
değişimleri ölçülmüştür. Buradan elde edilen konum ve zaman
verilerinden yola çıkılarak hız değerleri hesaplanmıştır.
Kullanıcının parmak konumu ile algılayıcı sistemi merkezi
konumu arasındaki fark konum takip hatası olarak
belirlenmiştir. Konum verileri 0.1s ’de bir kaydedilmiştir.
Deney boyunca kullanıcı parmağının algılayıcı sisteminin
okuma sınırını aşmamasına dikkat edilmiştir.
Mekanik
sistemin 0’ı mekanik eksenin merkezi olmak üzere sistemin
mekanik sınırları ekseni boyunca ±98.7mm’dir.
Kurulan sistem üzerindeki mekanik aksam bu iş için
tasarlanmadığından dolayı çok sağlıklı çalışmamaktadır.
Örneğin parmak takibi sırasında parmağın ani yön
değişimlerinde adım motor buna hemen tepki vermesine
rağmen mekanik aksam kayışın gergi kasnağının yayının
esnemesinden dolayı motorun ani tepkisini algılayıcıyı
üzerinde taşıyan hareketli arabaya zamanında iletememektedir.
Bu da sistemin kararsız bir çalışma sergilemesine neden
olmaktadır. Aynı zamanda algılayıcı ve araba tam anlamıyla
sabitlenmediğinden dolayı (ki bunun da algılayıcı sisteminin
kendisi için tasarlanmamış olan plastik bir arabaya sökülüp
takılabilir bir şekilde monte edilebilmesinden kaynaklanan
nedenlerle) parmak, hareketi bitirip sabit konumda
durdurulduğunda sistemin kararsızlığını sönümlemesi zaman
almaktadır. Ancak bunlar algılayıcı sisteminden ya da
yazılımdan kaynaklanan problemler değildir. Bu problemlerin
temel kaynağı, bilgisayar yazıcısına uygun olarak tasarlanan bir
mekanik sistemde kendi sistemimizi üzerine monte edecek
şekilde değişiklikler yapmamız ve bu düzeltmeler esnasında
bazı
mekanik
öğelerin
sistemden
çıkartılmasından
kaynaklanmaktadır.
parmak
konum (mm)
120
araba
takip hatası
60
0
-60
-120
0
2
4
6
8
10
12
14
16
zaman (saniye)
18
20
22
24
26
28
30
Şekil 8: Hareket takibinin konum-zaman grafiği
parmak
hız (mm/s)
200
araba
100
0
-100
-200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
zaman (saniye)
18
Şekil 9: Hareket takibinin hız-zaman grafiği
346
20
22
24
26
28
30
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
[6] T.H. Massie ve J.K. Salisbury, “The PHANToM haptic
interface: A device for probing virtual objects, Haptic
Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator
Systems,” ASME Winter Annual Meeting Symp,
Cilt:DSC-55-1, s:295-300, 1994.
[7] B.T. Gleeson ve W.R. Provancher, “Exploration of Tactile
Contact in a Haptic Display: Effects of Contact Velocity
and Transient Vibrations,” IEEE Transactions on Haptics,
Cilt: 4, No: 2, s:88-99, 2011.
[8] T. Endo, H. Kawasaki, T. Mouri, Y. Ishigure, H.
Shimomura, M. Matsumura ve K. Koketsu, “Five-fingered
haptic interface robot: HIRO III,” IEEE Transactions on
Haptics, Cilt: 4, No: 1, s:14-27, 2011.
[9] G. Ye, J.J. Corso, G.D. Hager ve A.M. Okamura, “Vishap:
Augmented reality combining haptics and vision,” IEEE
International Conference on In Systems, Man and
Cybernetics, Cilt:4, s:3425-3431, 2003.
[10] M. Harders, G. Bianchi, B. Knoerlein ve G. Székely,
“Calibration, registration, and synchronization for high
precision augmented reality haptics,” IEEE Transactions
on Visualization and Computer Graphics, Cilt: 15, No: 1,
s:138-149, 2009.
[11] T. Lee ve T. Hollerer, “Handy AR: Markerless inspection
of augmented reality objects using fingertip tracking,”
11th IEEE International Symposium on Wearable
Computers, s:83-90, 2007.
[12] F. Weichert, D. Bachmann, B. Rudak ve D. Fisseler,
“Analysis of the accuracy and robustness of the leap
motion controller,” Sensors, Cilt: 13, No: 5, s:6380-6393,
2013.
Mekanik sistemdeki araba üzerine algılayıcı sistemi monte
edilmeden önce yapılan denemelerde arabanın doğrusal hareket
hızı yaklaşık 200mm/s olarak ölçülmüş ancak sistem tam
anlamıyla monte edilip kullanıcının parmağının hareketi takip
ettirildiğinde araba hızı yaklaşık 120mm/s olarak
gerçekleşmiştir. Bu hız insanın parmağının hareket
ettirebileceği maksimum hız göz önünde bulundurulduğunda
oldukça düşük kalmaktadır. İnsan eli 1000mm/s ’nin
üzerindeki hızlarda hareket edebilmektedir. İyi bir hareket
takibi için mekanik sisteminde bu hızlara ulaşıyor olması
gerekir. Hareket takibinin yaklaşık 4.9mm ( 8
3.6mm )
ortalama konum hatası ile gerçekleşiyor olmasının en büyük
nedeni mekanik sistemin yeterince hızlı olmamasıdır.
5. Sonuç ve Tartışma
Kullanıcının parmak hareketini temassız olarak takip
edebilecek ve görsel gerçeklik ortamlarında kullanıcıya
boşlukta hareket etme hissini verebilen bir mekatronik sistem
tasarımı amaçlanmış ve yapılan çalışma ile bu
gerçekleştirilmiştir.
Kurulan sistem sadece tek eksende hareket takibi
yapmasına rağmen dört serbestlik derecesinde konum okuması
yapabilmektedir. Bu durum, kurulan sistemle dört serbestlik
dereceli bir mekanik sistem de rahatlıkla kontrol edilebileceğini
göstermektedir. Ayrıca algılayıcı sistemin alnına eklenecek
ilave bir algılayıcı gözü ile algılayıcı sistemi beş serbestlik
derecesinde konum okuyor hale getirilebilir. Bu şekilde
oluşturulan algılayıcı sistemi ile bir tek kullanıcının parmağının
kendi ekseni etrafındaki dönmesi algılanamayacaktır. Ayrıca
önerilen bu algılama sistemi, kamera ile algılama
sistemlerinden
farklı
olarak
500Hz ’de
tarama
yapılabilmektedir. Bu özelliği sayesinde gerçek zamanlı haptik
uygulamalar için kullanım potansiyeli doğmaktadır.
Test sonuçlarından da anlaşıldığı üzere kurulan mekatronik
sistemle genel itibariyle amaçlanan sonuca ulaşılmıştır. Sistem
kullanıcının parmağını temassız olarak oldukça başarılı bir
şekilde takip etmiştir. Bu sonuçlardan yola çıkarak sistemin
endüstriyel, tıbbi ve eğitime yönelik alanlarda rahatlıkla
uygulanabileceği görülmektedir.
Kaynakça
[1] V.Hayward, O.R. Astley, M. Cruz-Hernandez, D. Grant ve
G. Robles-De-La-Torre, “Haptic interfaces and devices,”
Sensor Review, Cilt: 24, No: 1, s:16-29, 2004.
[2] T. Yoshikawa ve A. Nagura, “A touch and force display
system for haptic interface,” IEEE Int. Conf. on Robotics
and Automation, s:3018-3024, 1997.
[3] T. Yoshikawa ve A.Nagura, “A touch and force display
system for haptic interface,” Presence, Cilt: 10, No: 2,
s:225-235, 2001.
[4] M. Kasap, N. Zafer ve S. Yilmaz, “A robotic exoskeleton
tracking human hand motions,” Proceedings of the First
Cappadocia International Mechanical Engineering
Symposium(CMES1-04), 2004.
[5] S.E. Salcudean ve N.R. Parker, “6-DOF desk-top voicecoil joystick,” 6th Annual Symposium on Haptic
Interfaces for Virtual Environments and Teleoperation
Systems, ASME Winter Annual Meeting, DSC, Cilt: 61,
s:131-138, 1997.
347
Parmak Hareketlerini Takip Eden Mekatronik Bir Sistem
A Mechatronic System Tracking Human Finger Motions
Sezcan Yılmaz, Naci Zafer
Makine Mühendisliği Bölümü
Eskişehir Osmangazi Üniversitesi
sezcan@gmail.com, nacizafer@gmail.com
algılayıcısı kullanılanlardır. Bazı sistemlerde ise çalışma
prensibi olarak manyetik alan kuvvetinin değişiminden
yararlanılmıştır. Tüm bu yöntemleri kullanılarak yapılmış
cihazların belli başlı örnekleri “Haptic Interfaces and Devices”
başlıklı bir çalışmada incelenmiştir [1]. Bu alandaki önemli
çalışmalardan birini Yoshikawa ve Nagura [2,3] rapor etmiştir.
Bu çalışmada fiber algılayıcılar kullanılarak sistemin bağlı
olduğu hareketli platformun kontrolü sağlanmıştır. Sistemin
çalışması karşılıklı olarak yerleştirilen fiber optik alıcı ve
vericinin araya bir cisim girmesi ile arasındaki optik bağlantının
kopması, cismin oradan ayrılmasıyla yeniden anahtarlamanın
sağlanması prensibine dayanmaktadır. Bir halka üzerine
sistematik olarak yerleştirilen 8 grup algılayıcıdan meydana
gelen sistem kullanıcının parmağının 2 serbestlik derecesinde
konum değişimini okumaktadır. Ancak bu algılayıcının her
yönde sadece 2 anahtarlama kademesi mevcuttur. Kullanıcının
parmağı bu iki anahtarlama kademesini de aşıp halkanın
sınırına dayandığında ise sistem üzerindeki kuvvet algılayıcıları
vasıtasıyla konum takibinin yanında kuvvet algılayıcılarından
alınan verilerin işlenip geri-beslenmesiyle de kontrol sistemini
yönlendirmektedir. Temassız takip sağlamaya yönelik diğer bir
çalışmada parmak ucuna takılacak ışık yayan bir aparat ve bir
robotun ucuna takılacak bir ışık algılayıcısı kullanılarak
çalışacak bir sistem önerilmiştir [4]. Salcudean ve Parker [5]
tarafından gerçekleştirilmiş bir çalışmada 6 serbestlik dereceli
ve manyetik kuvvet geri-besleme (KGB) sağlayabilen bir
joystick tasarlanmıştır. Konum okuması LED’ler ve foto
diyotlardan oluşan bir algılayıcı sistemiyle, kuvvet geribeslemesi ise manyetik alan kuvvetinden yararlanılarak
sağlanmıştır. Bir diğer çalışma Massie ve Salisbury [6]
tarafından gerçekleştirilmiş olup kullandıkları sistem ticari ismi
“Phantom” olan tersten sürülebilir küçük bir robotik kolla test
edilmiştir. Bu kolda kullanıcının parmağını robotik kolun son
efektörünü fiziksel kuvvet uygulayarak hareket ettirmesi
sonucunda robotik kolun son efektörünün konumu ve
yönelimindeki (oryantasyonundaki) değişmeye bakılarak
parmağın konum değişimi belirlenmektedir. Buna çok benzer
bir çalışmada parmağın konulduğu uç aparat farklılaştırılarak
dokunma hissine de hitap edilmeye çalışılmıştır [7]. Diğer bir
çalışmada beş parmağa birden eş zamanlı olarak farklı KGB
yapabilen bir sistem önerilmiştir [8]. Bunların yanında bazı
çalışmalarda kamera kullanarak çekilen görüntülerinin resim
işleme teknikleriyle yorumlanması ile parmak konumunun
belirlendiği sistemler de vardır [9-12]. Bu sistemlerin en büyük
dezavantajı yüksek bir hesaplama gücüne ihtiyaç duymalarıdır.
Bu ihtiyaç nedeniyle günümüz bilgisayarları ile gerçek zamanlı
haptik uygulamalar için gerekli olan tarama frekanslarına henüz
erişilememiştir.
Özetçe
Bu çalışmayla kullanıcının parmak konumunu temassız olarak
takip edebilen gerçek bir mekatronik sistem tasarlanmış ve
gerçekleştirilmiştir.
Parmak
konumundaki
değişimler
mikrodenetleyici temelli halka şeklindeki bir algılayıcı sistemi
vasıtasıyla bulunmakta ve alınan verilerle tek kutuplu bir adım
motor vasıtasıyla sürülen bir serbestlik dereceli bir cihaz
kontrol edilmektedir. Algılayıcı halka çapı parmak çapından
daha büyük olacak şekilde imal edilmiş ve bu sayede halka ile
parmak arasında parmağın hareketi vasıtasıyla kontrol edilen
cihazın sürülmesine izin verecek bir boşluk oluşturulmuştur.
Toplanan deneysel verilerden tasarlanan sistemin oldukça iyi
sonuçlar verdiği görülmektedir. Eldeki sistemin kullanıcının
parmak hareketlerini maksimum 120 mm/s’ye kadar olan
hızlarda başarılı bir şekilde takip edebildiği gösterilmiştir.
Abstract
This work presents the design and implementation of a genuine
mechatronic system enabling contact free tracking of an
operator’s finger position. The variation in finger-position is
detected by means of a micro-processor-based ring-shaped
optical sensing system and the obtained data is then used to
actuate a one DOF device driven by a unipolar stepper motor.
The radius of the ring is made larger than that of the finger and
collision of the finger with the ring is prevented by the
controller forcing the device follow the motions of the finger.
Experimental data collected is presented to illustrate the
effectiveness of the designed system. Although the device used
is mostly made of junk parts, it can track the position of the
operator’s finger at the maximum speed of 120mm/s.
1. Giriş
Bu çalışmada kullanıcının parmağının konum değişimini takip
eden özgün mekatronik bir sistemin tasarımı gerçekleştirilmiş
olup, sitemin inşası ile de tasarlanan sistemin uygulanabilirliği
gösterilmiştir.
Kullanıcının
parmağının
konumundaki
değişimler bir algılayıcı sistemi ve buna bağlı olan bir
mikrodenetleyici yardımıyla tespit edilerek, sistemin bağlı
olduğu hareketli platformun kontrolü sağlanmıştır. Burada en
önemli nokta hareket takibi esnasında parmak ve hareketli
sistem arasında hiçbir fiziksel temas olmamasıdır.
Benzer çalışmalar robotik uygulamalarında daha önce rapor
edilmiştir. Bu çalışmalarda birbirinden çok farklı sistemlere
rastlanmaktadır.
Bunlardan en çok rastlananlar kuvvet
343
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Bu çalışmada, yukarıdakilerden farklı olarak temassız
hareket takibini mümkün kılan Şekil 1’de görülen algılayıcı
sistemi tasarlanmıştır. Yoshikawa ve Nagura’nın [2,3]
tasarladıkları algılayıcı sisteminde 2 serbestlik derecesinde
temassız hareket takibi yapabilen bir sistem ancak anahtarlama
prensibi ile çalıştığından yeterince hassas hareket takibi
mümkün değildir. Geliştirilen algılayıcı sistemi ile 4 serbestlik
derecesinde temassız konum algılaması mümkün kılınmış olup,
örnek olarak tek eksende hareket kontrolü ile geliştirilen sistem
test edilmiştir. Her ne kadar tek eksenli olarak oluşturulan
deneysel
platform
yetersiz
ise
de,
sistemin
genelleştirebileceğini gösterir bir uygulamadır. Sisteme ilave
edilebilecek bir kuvvet algılayıcısı ile haptik etkileşim de
simüle edilebilir.
Şekil 3: Sistemin blok diyagramı
2.1. Kontrol Kartı
Kontrol kartı (Şekil 4) sistemi yöneten birimdir.
Algılayıcılardan gelen analog veriler mikrodenetleyici de dahili
olarak bulunan A/D dönüştürücü vasıtasıyla anlamlı dijital
veriler haline dönüştürülür. Anlamlı hale getirilen bu veriler
mikrodenetleyicinin
yazılımı
vasıtasıyla
yorumlanır.
Yorumlama sonucunda gerekirse adım motor sürücüsüne
sinyaller gönderilerek mekanik sisteme hareket verilir. Kontrol
kartının diğer bir görevi ise eksen üzerinde bulunan limit
anahtarları kontrol etmek ve mekanik eksen dışına taşan eksen
hareketlerini engellemektir. Kontrol kartında mikrodenetleyici
olarak PIC16F877 tercih edilmiştir. PIC16F877’nin A/D
dönüşüm işlemi yaparken analog verinin alınması esnasında
kullanılan örnekleme zamanı uygulama performansı için
önemlidir.
Örnekleme
zamanının
belirlenmesinde
PIC16F877’nin kullanım kılavuzundaki “A/D Dönüşüm
Gereksinimleri” tablosundan faydalanılmıştır. Örnekleme
zamanının seçiminde önemli iki faktör vardır. Birincisi A/D
dönüşümünde kullanılacak osilatör tipi, ikincisi ise ne kadar
hassas bir ölçüm sonucu istenildiği ile ilgilidir. Tasarlanan
cihazda A/D dönüşüm osilatörü olarak RC osilatör tercih
edilmiş ve ölçüm hassasiyeti olarak da standart bir ölçüm
hassasiyeti seçilmiştir. Bu durumda tablodan yaklaşık 48μs’lik
bir örnekleme zamanı kullanılması gerektiği görülmüştür.
Şekil 1: Tasarlanan temassız takip cihazı
2. Sistem Yapısı
Gerçekleştirilen algılayıcı, Şekil 2’de görüldüğü gibi LED
ışık yayıcılar (açık renk) ve foto-transistörlerin (koyu renk)
belirli bir düzende yerleştirilmesi ile oluşturulmuştur.
Algılayıcının temel çalışma prensibi takibi yapılacak ya da
konumu okunacak olan parmağa LED’ler vasıtasıyla ışık
göndermek sonra da parmak üzerinden yansıyan ışığın
seviyesinin
foto-transistörler
vasıtasıyla
ölçülerek
yorumlanması esasına dayanmaktadır.
Şekil 4: Kontrol kartı
2.2. Algılayıcı Sistemi
Şekil 2’de görüldüğü üzere algılayıcı sistemi halka şeklinde iki
algılayıcı gözü ve her gözde 8 adet algılayıcı hücresinden
oluşmaktadır. Bir algılayıcı hücresi de iki LED ve bir fototransistörden meydana gelmektedir. Sistem boyutlandırılırken,
çalışma şeklinden dolayı, insan parmağının boyutları,
kullanılan devre elemanlarının boyutları ve optik özellikleri göz
önüne alınmıştır. Hesaplanan boyut bilgileri ışığında okuma
alanında hareket değişiminin temassız olarak gözlenebilmesi
için, devre elemanların yerleştirileceği çap ölçüsünün 50mm
olarak seçilmesinin uygun olacağı görülmüştür. Bu kısıtların
dikkate alındığı durum için algılayıcının son boyutları Şekil
5’te görülmektedir.
Şekil 2: Algılayıcı sistemi
Tasarlanan sistemin genel mimarisinin prensip diyagramı
Şekil 3’te görülmektedir.
Cihaz temel olarak; algılayıcı
sistemi, sistemin kontrolünü sağlayan kontrol kartı, motor
sürücüsü ve motor-araba ikilisinin oluşturduğu mekanik
aksamdan oluşmaktadır.
344
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
seviyesinden etkilenmemesi adına, sadece ilgili hücrenin
LED’leri açıkken foto-transistörden yapılan ölçümden ortam
ışığı altında (LED’ler kapalıyken) alınan ölçümün değeri
çıkartılarak elde edilen değer üzerinden her hücre ayrı ayrı
kalibre edilmiştir.
Parmakların
tam
olarak
silindirik
bir
yapı
göstermemesinden ve bu nedenle her yerinde sabit bir çapa
sahip olmamasından dolayı, parmağın bir algılayıcı gözü
içerisindeki konumunun belirlenmesinde öncelikle ardışık
hücreler ikili gruplar halinde düşünülerek parmak çevresindeki
çeşitli konumların koordinatlarının belirlemesi gerekir.
Buradan hareketle ardışık iki hücre için,
Şekil 5: Algılayıcı sisteminin önemli çap ölçüleri
Sistemde kullanılan LED’lerin ışık huzmesi ışığın oluştuğu
nokta merkez olmak üzere tepe açısı 35° olan koni şeklinde
yayılmaktadır. Bu durumda hücreyi oluşturan iki LED’den
çıkan ışık ışınlarının kullanıcının parmağına ulaşana kadar
(LED’in ucundan itibaren maksimum 25mm boyunca)
mümkün olduğunca yoğun ve doğrusal olmaları önemlidir. Bu
değerlendirmeye bağlı olarak, LED’ler arasındaki açı 30°
olarak seçilmiştir. Bu durumda gönderilen ışık huzmesi Şekil
6’daki gibi oluşmaktadır.
Algılayıcı sisteminin fiziksel
boyutları göz önünde bulundurulduğunda bir algılayıcı
gözünün 8 hücreden oluşmasının uygun olacağı görülmüştür.
‖
‖
(1)
‖
‖
(2)
denklemleri yazılabilir. Burada
parmağın
ölçülen kenarının . noktasının yaklaşık koordinatını,
ise . hücrenin fototransistörünün algılayıcı
merkezinin konum koordinatını göstermektedir ve bu değer
cos "2# $ sin "2# $'
(3)
ifadesi kullanılarak hesaplanabilir. Burada foto-transistörün
algılayıcı merkezinin algılayıcı gözünün merkezine olan
uzaklığını ifade etmektedir, önerilen algılayıcı için
21.5mm’dir. Denklem (1) ve (2)’de verilen vektörel iki ifade
açılarak yazıldığında,
)
)
*
)
+ ,*
)
+
)
(4)
)
(5)
*
+ ,*
+
ifadelerine ulaşılır. Bu iki denklem birlikte çözüldüğünde iki
kök elde edilir. Bu iki kökten, konum koordinatı algılayıcı gözü
içerisinde olan kök olarak belirlenir. Gözdeki tüm hücreler
için bu işlem tekrarlanarak parmak çevresinde gözdeki hücre
sayısı kadar noktanın koordinatları tespit edilir ve parmak
merkezinin algılayıcı gözü içerisindeki konumu
∑/0
12
(6)
-
Şekil 6: LED’lerin gönderdiği teorik ışık huzmesi
2.3. Hareket Sistemi
Hareket sistemi olarak bir bilgisayar yazıcısının mekanik
aksamından yararlanılmıştır. Bu mekanik aksam Şekil 1’de
görüldüğü gibi bağlı olduğu arabaya hareket veren bir ucu
kendisini tahrik eden motorun dişlisinde diğer ucu gerdirme
kasnağında olan bir dişli kayış mekanizmasından ibarettir.
Üzerinde bulunan motor tek kutuplu adım motor olup basit bir
motor sürücüsü yardımı ile sürülmektedir. Mekanik aksam
üzerinde bulunan adım motor özel olarak seçilen bir motor
olmadığından istenilen performans özelliklerini tam olarak
karşılayamamaktadır. 48 adımlı olan motorun bir adımı
7.5° ’dir. Motor yarım adım sürüldüğünde dahi hassasiyeti
ancak 3.75° olmaktadır. Bu dişli kayış mekanizmasından elde
edilen doğrusal harekette bir adımın 0.084mm ’ye karşılık
gelmekte ve motor yarım adım sürüldüğünde hareket
hassasiyeti 0.042mm olmaktadır. Bu değer profesyonel bir
sistem için yeterli olmamakla birlikte basit bir mekanizma ve
bu test için yeterli bir hassasiyet olarak görülebilir. Mekanizma
üzerindeki arabaya doğrusal olarak yaptırılabilen maksimum
hız boşta 200mm/s’dir.
şeklinde hesaplanabilir. Bu algoritma vasıtası ile ön göz ve arka
göz için iki grup konum koordinatı verisi hesaplanır. Böylece
algılayıcı tarafından algılanabilen uzayda parmağın yeri, 2
konum ve 2 yönelim(oryantasyon) olmak üzere 4 serbestlik
derecesinde belirlenmiş olur.
Bir algılayıcının bir kez okunması için 48μs ’lik bir
örnekleme zamanına ihtiyaç olduğu ve algılayıcı sisteminde 16
foto-transistör bulunduğu ve bunların her birinin her çevrimde
iki defa okunduğu düşünüldüğünde bu çalışmada kullanılan ve
görece düşük hızlarla çalışmakta olan bir mikrodenetleyiciyle
bile algılayıcı sistemi yaklaşık olarak 500Hz ’le veri
üretebilmektedir.
2.4. Konum Hesabı
Bir gözdeki toplam hücre sayısı
8 olmak üzere, hücreler
Şekil 7’de eksenine çakışık olanlardan sağda yer alan hücre 0
olmak üzere saatin tersi yönde artarak son hücre 7 olacak
şekilde numaralandırılmıştır. Her bir hücre için ışık seviyesi
ölçümü sonucunda parmağın . hücreye olan uzaklığı (kesikli
çizgi ile gösterilmiştir)
ile temsil edilmektedir.
mesafesinin belirlenmesinde, kalibrasyonun ortamın ışık
Şekil 7: Algılayıcı sisteminin koordinat eksenleri
345
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
Simülasyonda kullanıcı parmağının zamana bağlı konum
değişimi ve algılayıcı sisteminin kullanıcı parmak hareketini
takibi esnasındaki konum değişimi verilerinden elde edilen
konum-zaman grafiği Şekil 8’de gösterilmiştir. Simülasyon
boyunca maksimum konum hatası 11mm ve ortalama takip
hatası 4.9mm (takip hatasının standart sapması, 8
3.6mm)
olarak gerçekleşmiştir. Şekil 9’da parmak ve arabanın hızzaman grafiği yer almaktadır. Buradan cihazın hareket takip
hızının yaklaşık 120mm/s olduğu görülmektedir.
Şekil 8’den görüldüğü üzere, simülasyonun ilk 5
saniyesinde sistemin kullanıcı parmağının hareketini
ekseninin sistem sınırlarına kadar maksimum hızda hiçbir
duraklama olmadan takip ettiği görülmektedir. 5-17’inci
saniyeler arasında duruş kalkışlı bir hareket tercih edilmiş olup
parmağın hareketini durdurması durumunda (Şekil 9’dan hızın
sıfır olduğu, yaklaşık olarak 5-6, 6.5-7, 8-8.5, 9.5-10, 11-11.5,
12.5-13, 13.5-14.5, 15-15.5 ve 16-16.5 saniyeleri arasında
parmak hareketi durdurulmuştur), Şekil 8’den arabanın takip
hatasının neredeyse sıfıra yaklaştığı görülebilir. Parmağın
durmasıyla birlikte takip hatasının neredeyse sıfırlanması,
mekanik sistemin maksimum hız değerinin yetersiz olduğunu
açıkça göstermektedir. 18-21 ve 23-26 saniyeleri arasında,
algılayıcı sisteminin kullanıcı parmağının sürekli olarak ani yön
değişime yapması hareketini takibi esnasında sistemin
davranışı görülmektedir. Şekil 9’a baktığımızda bu zaman
aralığında cihazın hareket takip hızının oldukça değişken
olduğu görülmektedir. Bunun başlıca sebebi araba maksimum
hıza ulaşana kadar parmağın yön değiştirmesidir. Bu zaman
aralığında maksimum konum hatalarının gerçekleştiği
noktaların ortak özelliği, hepsinin yön değişimlerin meydana
geldiği anlarda gerçekleşmiş olmalarıdır. Buradan ani yön
değiştirmelerde konum hatasının ortalama konum hatasının
yaklaşık iki katına kadar çıktığı görülmektedir. Şekil 8’den
algılayıcı sisteminin kullanıcı parmağını oldukça başarılı bir
şekilde takip ettiği görülmektedir.
4. Deneysel Çalışma
Cihaz performansı, kullanıcı parmağının akıcı, duruş kalkışlı ve
ani yön değiştirmeli hareketleri için yapılan deneylerle
belirlenmiştir. Deneylerde kullanıcı parmağının ve algılayıcı
sistemi merkezlerinin ekseni boyunca zamana bağlı konum
değişimleri ölçülmüştür. Buradan elde edilen konum ve zaman
verilerinden yola çıkılarak hız değerleri hesaplanmıştır.
Kullanıcının parmak konumu ile algılayıcı sistemi merkezi
konumu arasındaki fark konum takip hatası olarak
belirlenmiştir. Konum verileri 0.1s ’de bir kaydedilmiştir.
Deney boyunca kullanıcı parmağının algılayıcı sisteminin
okuma sınırını aşmamasına dikkat edilmiştir.
Mekanik
sistemin 0’ı mekanik eksenin merkezi olmak üzere sistemin
mekanik sınırları ekseni boyunca ±98.7mm’dir.
Kurulan sistem üzerindeki mekanik aksam bu iş için
tasarlanmadığından dolayı çok sağlıklı çalışmamaktadır.
Örneğin parmak takibi sırasında parmağın ani yön
değişimlerinde adım motor buna hemen tepki vermesine
rağmen mekanik aksam kayışın gergi kasnağının yayının
esnemesinden dolayı motorun ani tepkisini algılayıcıyı
üzerinde taşıyan hareketli arabaya zamanında iletememektedir.
Bu da sistemin kararsız bir çalışma sergilemesine neden
olmaktadır. Aynı zamanda algılayıcı ve araba tam anlamıyla
sabitlenmediğinden dolayı (ki bunun da algılayıcı sisteminin
kendisi için tasarlanmamış olan plastik bir arabaya sökülüp
takılabilir bir şekilde monte edilebilmesinden kaynaklanan
nedenlerle) parmak, hareketi bitirip sabit konumda
durdurulduğunda sistemin kararsızlığını sönümlemesi zaman
almaktadır. Ancak bunlar algılayıcı sisteminden ya da
yazılımdan kaynaklanan problemler değildir. Bu problemlerin
temel kaynağı, bilgisayar yazıcısına uygun olarak tasarlanan bir
mekanik sistemde kendi sistemimizi üzerine monte edecek
şekilde değişiklikler yapmamız ve bu düzeltmeler esnasında
bazı
mekanik
öğelerin
sistemden
çıkartılmasından
kaynaklanmaktadır.
parmak
konum (mm)
120
araba
takip hatası
60
0
-60
-120
0
2
4
6
8
10
12
14
16
zaman (saniye)
18
20
22
24
26
28
30
Şekil 8: Hareket takibinin konum-zaman grafiği
parmak
hız (mm/s)
200
araba
100
0
-100
-200
0
2
4
6
8
10
12
14
16
zaman (saniye)
18
Şekil 9: Hareket takibinin hız-zaman grafiği
346
20
22
24
26
28
30
Otomatik Kontrol Ulusal Toplantısı, TOK'2015, 10-12 Eylül 2015, Denizli
[6] T.H. Massie ve J.K. Salisbury, “The PHANToM haptic
interface: A device for probing virtual objects, Haptic
Interfaces for Virtual Environment and Teleoperator
Systems,” ASME Winter Annual Meeting Symp,
Cilt:DSC-55-1, s:295-300, 1994.
[7] B.T. Gleeson ve W.R. Provancher, “Exploration of Tactile
Contact in a Haptic Display: Effects of Contact Velocity
and Transient Vibrations,” IEEE Transactions on Haptics,
Cilt: 4, No: 2, s:88-99, 2011.
[8] T. Endo, H. Kawasaki, T. Mouri, Y. Ishigure, H.
Shimomura, M. Matsumura ve K. Koketsu, “Five-fingered
haptic interface robot: HIRO III,” IEEE Transactions on
Haptics, Cilt: 4, No: 1, s:14-27, 2011.
[9] G. Ye, J.J. Corso, G.D. Hager ve A.M. Okamura, “Vishap:
Augmented reality combining haptics and vision,” IEEE
International Conference on In Systems, Man and
Cybernetics, Cilt:4, s:3425-3431, 2003.
[10] M. Harders, G. Bianchi, B. Knoerlein ve G. Székely,
“Calibration, registration, and synchronization for high
precision augmented reality haptics,” IEEE Transactions
on Visualization and Computer Graphics, Cilt: 15, No: 1,
s:138-149, 2009.
[11] T. Lee ve T. Hollerer, “Handy AR: Markerless inspection
of augmented reality objects using fingertip tracking,”
11th IEEE International Symposium on Wearable
Computers, s:83-90, 2007.
[12] F. Weichert, D. Bachmann, B. Rudak ve D. Fisseler,
“Analysis of the accuracy and robustness of the leap
motion controller,” Sensors, Cilt: 13, No: 5, s:6380-6393,
2013.
Mekanik sistemdeki araba üzerine algılayıcı sistemi monte
edilmeden önce yapılan denemelerde arabanın doğrusal hareket
hızı yaklaşık 200mm/s olarak ölçülmüş ancak sistem tam
anlamıyla monte edilip kullanıcının parmağının hareketi takip
ettirildiğinde araba hızı yaklaşık 120mm/s olarak
gerçekleşmiştir. Bu hız insanın parmağının hareket
ettirebileceği maksimum hız göz önünde bulundurulduğunda
oldukça düşük kalmaktadır. İnsan eli 1000mm/s ’nin
üzerindeki hızlarda hareket edebilmektedir. İyi bir hareket
takibi için mekanik sisteminde bu hızlara ulaşıyor olması
gerekir. Hareket takibinin yaklaşık 4.9mm ( 8
3.6mm )
ortalama konum hatası ile gerçekleşiyor olmasının en büyük
nedeni mekanik sistemin yeterince hızlı olmamasıdır.
5. Sonuç ve Tartışma
Kullanıcının parmak hareketini temassız olarak takip
edebilecek ve görsel gerçeklik ortamlarında kullanıcıya
boşlukta hareket etme hissini verebilen bir mekatronik sistem
tasarımı amaçlanmış ve yapılan çalışma ile bu
gerçekleştirilmiştir.
Kurulan sistem sadece tek eksende hareket takibi
yapmasına rağmen dört serbestlik derecesinde konum okuması
yapabilmektedir. Bu durum, kurulan sistemle dört serbestlik
dereceli bir mekanik sistem de rahatlıkla kontrol edilebileceğini
göstermektedir. Ayrıca algılayıcı sistemin alnına eklenecek
ilave bir algılayıcı gözü ile algılayıcı sistemi beş serbestlik
derecesinde konum okuyor hale getirilebilir. Bu şekilde
oluşturulan algılayıcı sistemi ile bir tek kullanıcının parmağının
kendi ekseni etrafındaki dönmesi algılanamayacaktır. Ayrıca
önerilen bu algılama sistemi, kamera ile algılama
sistemlerinden
farklı
olarak
500Hz ’de
tarama
yapılabilmektedir. Bu özelliği sayesinde gerçek zamanlı haptik
uygulamalar için kullanım potansiyeli doğmaktadır.
Test sonuçlarından da anlaşıldığı üzere kurulan mekatronik
sistemle genel itibariyle amaçlanan sonuca ulaşılmıştır. Sistem
kullanıcının parmağını temassız olarak oldukça başarılı bir
şekilde takip etmiştir. Bu sonuçlardan yola çıkarak sistemin
endüstriyel, tıbbi ve eğitime yönelik alanlarda rahatlıkla
uygulanabileceği görülmektedir.
Kaynakça
[1] V.Hayward, O.R. Astley, M. Cruz-Hernandez, D. Grant ve
G. Robles-De-La-Torre, “Haptic interfaces and devices,”
Sensor Review, Cilt: 24, No: 1, s:16-29, 2004.
[2] T. Yoshikawa ve A. Nagura, “A touch and force display
system for haptic interface,” IEEE Int. Conf. on Robotics
and Automation, s:3018-3024, 1997.
[3] T. Yoshikawa ve A.Nagura, “A touch and force display
system for haptic interface,” Presence, Cilt: 10, No: 2,
s:225-235, 2001.
[4] M. Kasap, N. Zafer ve S. Yilmaz, “A robotic exoskeleton
tracking human hand motions,” Proceedings of the First
Cappadocia International Mechanical Engineering
Symposium(CMES1-04), 2004.
[5] S.E. Salcudean ve N.R. Parker, “6-DOF desk-top voicecoil joystick,” 6th Annual Symposium on Haptic
Interfaces for Virtual Environments and Teleoperation
Systems, ASME Winter Annual Meeting, DSC, Cilt: 61,
s:131-138, 1997.
347