FPGAを用いた多自由度実世界ハプティックデバイスの開発

使用 FPGA 开发多自由度现实世界触觉设备

基本信息

批准号：
09J04578
负责人：
田中裕之
金额：
$ 0.9万
依托单位：
Keio University
依托单位国家：
日本
项目类别：
Grant-in-Aid for JSPS Fellows
财政年份：
2009
资助国家：
日本
起止时间：
2009 至 2010
项目状态：
已结题

项目摘要

力覚通信システムにおける非可逆圧縮を提案,実現した。力覚通信に代表されるハプティックシステムは,ハードリアルタイム性を強く要求するシステムである。そのため,本研究では,力覚情報を圧縮,伸長をFPGA (Field Programmable Gate Array)上で行った。これにより,デバイスを制御するバイラテラル制御と,エンコード,デコードを並列で演算が可能となり,制御周期への影響を最小限に抑えることができた。本手法では,FPGA上に実装することを考慮して整数離散コサイン変換を用いて時間一周波数変換を行った。この非可逆圧縮手法を用いることで,力覚通信における通信されるデータサイズを削減させることに成功した。また,力覚情報のパワースペクトラム密度を比較することで,非可逆圧縮を施しているのにもかかわらず,0-200Hz程度の帯域において力覚情報の劣化がほとんど見られないことを確認した。さらに,多自由度ロボット制御にFPGAを用いる場合の三角関数の実装に関する検討を行った。本研究では,CORDICおよびテイラー展開に基づく余弦関数および正弦関数の実装をおこない,近似精度,レイテンシ,必要なリソース,および動作周波数の観点から比較をおこなった。本研究の成果は,あるロボットシステムのコントゴーラをFPGA上に実装する際の実装手法の目安となる。

我们提出并实现了触觉通信系统中的不可逆压缩。触觉系统，例如触觉通信，是强烈要求硬实时性能的系统。因此，在本研究中，力信息在FPGA（现场可编程门阵列）上进行压缩和扩展。这使得可以执行设备的双边控制并并行执行编码和解码操作，从而最小化对控制周期的影响。在该方法中，考虑到在 FPGA 上的实现，我们使用整数离散余弦变换来执行时频变换。通过使用这种不可逆的压缩方法，我们成功地减小了触觉通信中通信的数据的大小。此外，通过比较力信息的功率谱密度，我们证实，尽管进行了不可逆压缩，但在0-200Hz左右的频段内，力信息几乎没有恶化。此外，我们研究了使用 FPGA 进行多自由度机器人控制时三角函数的实现。在本研究中，我们基于 CORDIC 和泰勒展开式实现了余弦和正弦函数，并在逼近精度、延迟、所需资源和工作频率方面对它们进行了比较。这项研究的结果将作为在 FPGA 上实现特定机器人系统控制器时的实现方法指南。