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5-DOF Haptic WandUniversidad Autónoma del Carmen, Facultad de Ingeniería

Taller de Formación Temprana de InvestigadoresFrancisco Javier Alejo Chan

Resumen—En este reporte de explica como se realizó lainstalación física del manipulador 5-DOF Haptic Wand, el cualse encuentra en el laboratorio de robótica de la facultad de inge-niería. Por lo que una vez armado el cableado del manipuladorse dio a la tarea de comprobar que funcionaba correctamenteprobando los demos que incluye el fabricante y ejecutarlos enMATLAB/Simulink.

I. OBJETIVOS

Armar el cableado del manipulador 5-DOF Haptic Wandde Quanser y probar los demos incluidos por el fabricantemediante MATLAB/Simulink.

II. MARCO TEÓRICO

El 5-DOF manipulador de doble pantógrafo fue original-mente diseñado y construido por el profesor Tim Salcudean,de la Universidad de British Columbia, Vancouver, Canadá,para llevar a cabo la investigación de la háptica. Quanser 5-DOF Wand, basado en el diseño original de Salcudean, avanzaen el robot de accionamiento redundante en una herramientade investigación de comercial robusto. El desarrollo de esteproducto hace que el 5-DOF Haptic pantógrafo este a disposi-ción de los hápticos y la comunidad de teleoperación en todoel mundo.

Figura 1. 5-DOF Haptic Wand

El robot 5-DOF Wand es un robot actuador que se puedeutilizar para aplicaciones robóticas, así como aplicaciones háp-ticos. La interfaz tiene cinco grados de libertad que permitentres traslaciones y dos rotaciones (balanceo y cabeceo). Esto selogra mediante el uso de una disposición de doble pantógrafo.Cada pantógrafo es accionado directamente por dos motores

de corriente continua en sus hombros y otro motor de corrientecontinua, más potente, en su cintura. La vara de control estáconectado a los dos puntos finales de cada pantógrafo a travésde juntas universales (U-articulaciones). La guiñada alrededordel eje de la varita (es decir sexto DOF) es pasiva y sinlímites para una mejor comodidad de la mano humana. Hechode materiales ligeros, la masa del wand equivalente en todasu área de trabajo se minimiza aún más por dos contrapesosajustables montados en ambas articulaciones de la cintura.

El Poder de los seis motores se entrega usando amplifica-dores de potencia de corriente lineales de Quanser, mientrasque las posiciones del eje del motor se miden utilizandocodificadores ópticos de alta resolución. El sistema se controlaa través de un PC con Q8 (HIL) placa de control hardware deQuanser. El sistema Wand 5-DOF se suministra con softwareQUARC y ejemplos de aplicación flexibles de Quanser parallevar a cabo un control en tiempo real utilizando MATLAB/ Simulink.

II-A. Componentes Principales

Quanser Amplificador de Potencia QPA-L4-E: El 5-DOFutiliza dos amplificadores de potencia de la serie QPA-L4-E. El QPA-L4-E es un montaje en rack chasis que contienecuatro amplificadores de corriente lineales. Uno QPA-L4-Eproporciona energía a los cuatro motores del hombro a travésde cuatro amplificadores de corriente lineales mientras la otraunidad QPA-L4-E ofrece una potencia de los dos motores de lacintura (sólo se utilizan dos de los cuatro canales). Las señalesdesde y hacia el robot 5-DOF se canalizan a través de los dosamplificadores a la tarjeta de adquisición de datos de Q8. ElQPA-L4-E tiene dos fuentes de alimentación internas indepen-dientes. Fuente de alimentación 1 opera amplificadores 0 y 1,mientras que la fuente de alimentación 2 opera amplificadores2 y 3.

Figura 2. Quanser Power Amplifier: QPA-L4-E

Q8 HIL Board: El amplificador de potencia y el robot dedoble pantógrafo están diseñadas para ser totalmente compa-tible con la tarjeta Q8 (HIL).

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Figura 3. Tarjeta Q8(HIL)

Q8-Dual-QPA Adapter Box: El Q8-To-Dual-QPA BoxAdaptador contiene un tablero de interconexión con dos am-plificadores de potencia Quanser del 5-DOF Wand (QPAs) ala junta HIL Q8. el conector j9 de la placa tiene la etiquetade conector A en la caja y el conector J11 en el tablerocorresponde al conector B. Además, el panel de la caja frontaladaptador también está equipado con un LED y un conectorjack para el pulsador de usuario.

Figura 4. Q8-Dual-QPA Adapter Box

Botón de paro de emergencia: El cable de parada de emer-gencia tiene dos conectores de 6 pines mini-DIN que debenser conectados a los paneles frontales de ambos amplificadorde potencia. Todos los amplificadores lineales de seis de motorse desactivan cuando el e-stop no está conectado o cuando ladirección de stop está conectado con el botón rojo se empujahacia abajo. Los amplificadores deberán estar activo (es decir,habilitar) si y sólo si el interruptor pulsador de seguridadremota (también conocido como e-parada) está conectado ydeprimido.

Figura 5. Botón de paro de emergencia

Cable del motor: El cable del Motor lleva los cablesde alimentación del amplificador de potencia (QPA) para losmotores de corriente continua varita. En concreto, Cable motorA se conecta con cuatro motores de hombro del 5-DOF Wandmientras Motor Cable B se conecta a los dos motores de lacintura.

Figura 6. Cable del motor

Cable del encoder: El cable del Encoder lleva las se-ñales del codificador y requiere fuente de alimentación deCC. Específicamente, Encoder Cable A se conecta a cuatrocodificadores del hombro del 5-DOF Wand mientras EncoderCable B se conecta a los dos motores de la cintura.

Figura 7. Cable del motor

I/O Cable: El cable I/O conecta desde el amplificador depotencia (QPA) I/O SCSI 68 pines a la tarjeta de adaptador deQ8 a QPA. Este cable de cinta plano lleva las señales del sensordigital, y el amplificador de potencia con señales habilidatasy desabilitadas. Específicamente, Cable I/O A se conecta alconector A de la placa del adaptador Q8-To-QPA y QPA-L4-E (QPA A), mientras que I/O Cable B conecta desde conectorB de la placa del adaptador a QPA-L4-E (QPA B).

Figura 8. Cable plano

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ID DESCRIPCIÓN1 Placa de base2 Marco3 Brazo pantografo de fibra de carbono4 Final de la manija de fibra de carbono5 Articulación del hombro6 Junta de la cintura7 Contrapeso8 Junta universal9 Calibración Jig10 Tornillo de calibración11 Interruptor Gimbal12 Articulación del hombro13 Articulación de la cintura14 Conector de entrada digital15 Conector del motor del hombro16 Conector del motor de la cintura17 Conector del codificador del hombro18 Conector del codificador de la cintura

Tabla 1. Número de cada componente

III. METODOLOGÍA

Figura 9. 5-DOF Wand Nomenclature: Vista de Frente

Pasos que se siguieron para conectar el cableado del 5-DOFHaptic Wand.

Paso 1. Push Button De Emergencia Cables - Cables1A y 1B : Conecte uno de los dos cables de parada deemergencia (es decir, el cable 1A) al conector con laetiqueta E-STOP en QPA A y el otro cable de parada deemergencia (es decir, el cable 1B) para QPA B. Presioneel botón rojo para desactivar el sistema.

Figura 10. QPA A Power Amplifier Connections

Figura 11. QPA B Power Amplifier Connections

Paso 2. Encoder Cable A - cable 2: Conecte EncoderCable A entre el conector QPA A ENCODER y la parte

trasera del robot Wand 5-DOF.

Figura 12. 5-DOF Wand Connections

Paso 3. Motor Cable A - Cable 3: Conecte el cable demotor A al conector QPA A y la parte trasera del robotwand 5-DOF.Paso 4. I/O Cable A - cable 4: Conecte el I/0 de cintaplana al Cable A partir de conector A (J9) de la placade adaptador de Q8-To-QPA al conector I/O en QPA A.

Figura 13. Q8-To-Dual-QPA Adapter Connections

Paso 5. Cables Q8 - Cables 5: Conecte los tres cablesde cinta planos Q8 del tablero HIL Q8 a la Q8-To-QPAcaja del adaptador.

Figura 14. Connecting The Q8-To-Dual-QPA Adapter

Paso 6. Encoder Cable B - Cable 6: Conecte EncoderCable B entre el conector QPA B ENCODER y la partetrasera del robot Wand 5-DOF.Paso 7. Motor Cable B - Cable 7: Conecte Motor cableB a la QPA B MOTOR conector y la parte posterior dela 5-DOF robot varita.Paso 8. I/O Cable B - cable 8: Conecte el I/O de cintaplana Cable B del conector B (J11) de la placa deadaptador de Q8-To-QPA al conector I/O en QPA B.]Paso 9. Cable Digital Input - Cable 9: Conecte el cablemini-DIN desde el conector de entrada digital situado enel panel de la fuente del QPA al conector situado en elpanel posterior de la 5-DOF Wand.Paso 10. El sistema está conectado totalmente. Puede

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iniciar el PC. El LED verde situado en frente de la cajaAdaptador Q8-To-Dual-QPA debe encenderse. Si no esasí, se debe reemplazar el fusible de 1 A en el tablerode interfaz.Paso 11. Cuando encienda QPA A y B QPA las siguientesluces deben estar en: 1) LED POWER: Indica que el QPAcorrespondiente se enciende y su fuente de alimentacióninterna (s) están en funcionamiento. 2) LED E-STOP: In-dica que el botón de parada de emergencia está deprimido(o desconectado). 3) Fault LED: Cada LED indica quelos cuatro amplificadores de corriente lineales no estánhabilitadas (es decir, incapacitado).

III-A. Prueba de los demos en MATLAB/Simunlink

Calibración:Paso 1. Se enciende los drivers QPA A Y QPB.Paso 2. El manipulador Haptic debe estar en posición deHome.Paso 3. Se abre el archivo q_5dof_wand_calib.mdl enMATLAB/Simulink

Figura 15. Menú de calibración de Simulink

Paso 4. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize 1,se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q y 1 cuandose tiene instalado 2 tarjetas Q.Paso 5. En el Simulink, se da clic en QUARC y seselecciona Build.Paso 6. Se da clic en Run y empieza la calibración.Paso 7. Terminado la calibración, se detiene oprimiendoel botón STOP.

Pruebas de señales de entrada y salida:Pruebas de entradas encoder:

Paso 1. Abra el archivo q_5dof_wandio_tester.mdl enMATLAB/Simulink.

Figura 16. Diagrama de Simulink utilizado QUARC paraprobar señales IO del 5 DOF Wand

Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.

Paso 4. En el Simulink, se da clic en QUARC y seselecciona Build.Paso 5. Asegúrese de que el interruptor Open/ClosedLoop está establecido en la posición hacia abajo .open-loop mode".Paso 6. También, asegúrese de que todos los interruptoresen el subsistema de Open Loop Voltage se ponen ala baja, en motor OFF posición, para asegurar que losmotores no van a ser conducido y el wand tenga libertadpara moverse.Paso 7. Se hace clic en RUN en simulink y comienza acorrer el controlador.Paso 8. En el diagrama de bloques scopes, se da dobleclic y se pueden seleccionar los scopes de los diferentesencoder para observar sus mediciones.Paso 9. Se mueve el wand para observar los cambios enlos scopes.Paso 10. Se pueden observar las medicones en el planocartesiano haciendo clic en Cartesian Plant block, y abrirx (mm), y (mm), z (mm), yaw (deg), and roll (deg)scopes.Paso 12. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.

Digital Outputs And Inputs Testing

Paso 1. Asegúrese que el controladorq_5dof_wand_io_tester.mdl se este ejecutando enopen-loop.Y que el botón de paro de emergencia seencuentra liberado y que los LED FAULT en los dosmódulos QPA están en 0.Paso 2.Cuando el controlador está en ejecución los LEDsENABLE en ambos QPAs debe ser iluminados en verdey los de estados de los Amplificadores Medidores di-gitales en q_5dof_wand_io_tester deben ser 0. Presioneel interruptor de parada de emergencia y verifique quelos LED FAULT se encienden y los medidores de estadodel Amplificador se pongan a 1. Esto significa que losamplificadores se desconectan y no puede conducir elactuador.Paso 3. Verifique que el medidor digital de la fuente dealimentación es de 0.Paso 4. Presionar el botón de paro de emergencia yobservar que los LEDS FAULT se pongan en rojo y lamedición del amplificador de digital cambie a 0.

Position Control Example: Tracker

Paso 1. Abrir el archivo q_5dof_wand_tracker.mdl enSimulink.

Figura 17. Diagrama de Simulink utilizando QUARC Trackerdel 5 DOF Wand

Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.

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Paso 4. En el Simulunk, se da clic en QUARC y seselecciona Build.Paso 5. Mueva el Wand a la posición central dondese encuentra aproximadamente el centro del espacio detrabajo.Paso 6. Haga clic en el botón RUN en la barra deherramienta de modelo de Simulink para empezar aejecutar el controlador. Mango efector final del Wanddebe realizar un seguimiento de una trayectoria de cubode 30 mm (largo de los ejes x, y, z) y debe girar 20grados entre cada esquina en los giros sobre su balanceoy cabeceo.Paso 7. Se pueden observar las mediciones en el planocartesiano haciendo clic en Cartesian Plant block, y abrirx (mm), y (mm), z (mm), yaw (deg), and roll (deg)scopes.Paso 8. Para cambiar las trayectorias del Setpoint , entraen el subsistema Setpoint y variar los valores en losbloques de ganancia. Por ejemplo, para disminuir larotación alrededor del eje x, es decir, la guiñada, reducirel alpha_x_r (deg) Ganancia cuadra de 20 hasta un valortal como 15 grados.Paso 9. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.

Virtual Reality Example: Esfera

Paso 1. Abrir el archivo q_5dof_wand_vr_sphere.mdl enSimulink.

Figura 18. Wand y esfera virtual

Paso 2. Correr el archivo setup_wand.m en MATLAB.Paso 3. Se da doble clic sobre el bloque HIL Initialize1, se escribe 0 si se tiene instalado una tarjeta Q8 y 1cuando se tiene instalado 2 tarjetas Q8.Paso 4. En el Simulink, se da clic en QUARC y seselecciona Build.Paso 5. Mueva el Wand a la posición central donde seencuentra aproximadamente en el centro del espacio detrabajo.Paso 6. Haga clic en el botón RUN en la barra deherramienta de modelo de Simulink.Paso 7. Mueva el Wand en el dispositivo y observecómo la wand virtual en la ventana VR Sink se mueveproporcionalmente.Paso 8. Se detiene el controlador haciendo clic en STOP.

IV. DISCUSIÓN DE RESULTADOS

Figura 19. Motores

Encoder Inputs TestingSe obtuvieron las siguientes gráficas de los motores :

Figura 20. Motores 1 y 2

Figura 21. Motores 3 y 4

Figura 22. Motores 5 y 6

También se tomaron las gráficas de los ejes obteniendo lassiguientes: x, y, z, roll y yaw.

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Figura 23. Plano x

Para el eje x el movimiento físico del wand resultó ser a loscostados, de derecha a izquierda o derecha a izquierda.

Figura 24. Plano y

Para el eje y el movimiento físico del wand resultó ser haciaadentro y hacia afuera. Empujándolo y extrayendo.

Figura 25. Plano z

Para el movimiento en z resultó al mover el wand hacia arribay hacia abajo.

Figura 26. Yaw

Para el yaw, resultó al mover la junta principal como unmovimiento de muñeca hacia arriba y abajo. Sin empujar lasdemás juntas, sola la principal.

Figura 27. Roll

Para el movimiento roll, resultó al mover la junta principal co-mo un movimiento de la muñeca hacia los costados. Tambiénsin mover las demás juntas.

Position Control Example: Tracker Al correr el demo deTracker se obtuvieron las siguientes gráficas de los scopes paracada eje.

Figura 28. Tracker eje x

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Figura 29. Tracker eje y

Figura 30. Tracker eje z

Figura 31. Tracker yaw

Figura 32. Tracker roll

Virtual Reality Ejemplo: EsferaSe comprobó el movimiento tanto físico del wand como

virtual en el simulador, lo cual se puede observar en lasiguiente imagen.

Figura 33. Movimiento virtual

V. CONCLUSIONES

El manipulador 5-DOF Haptic Wand al hacer el cableado,encenderlo y al probar los demos que vienen incluidos por elfabricante, se puede concluir que el funcionamiento es correctoy pueda ser utilizado para futuros trabajos ya sea de tesis paratitulación o tesis de maestría. Siguiendo el manual de Quanserse pudieron hacer todas las pruebas y el cableado del hardware.

REFERENCIAS

[1] Quanser, 5-DOF Wand Reference Manual.