3.2 Il Problema meccanico dinamico
4.1.7 Controllo della simulazione
Al termine del programma vi `e inoltre la possibilit`a di visualizzazioni dei paramentri di controllo della simulazione, in particolare di pu`o vedere l’andamento temporale delle seguenti grandezze:
• progressione o meno della capsula;
• contatto o meno presente tra capsula e tessuto biologico ed eventual- mente numero di arti in contatto;
Capitolo 5
Interfaccia grafica
Lo strumento di simulazione realizzato in ambiente M atlab 7.1T M prevede la gestione di numerosi file (in particolare file < ∗.m > ovvero file di script di Matlab) e l’impostazione dei relativi parametri. La gestione di un tale scenario, se affrontato direttamente dall’utente, potrebbe necessitare di un tempo non irrisorio e di un impegno eccessivo.
Per sopperire a tale circostanza si `e pensato di limitare il compito dell’u- tente alla sola interazione con un’interfaccia grafica.
Sono state realizzate pi`u versioni della GUI per affinarne la praticit`a d’uso, l’interattivit`a e l’efficienza anche per utenti poco esperti.
La realizzazione dell’interfaccia grafica ha richiesto di una fase iniziale per la messa a punto della veste grafica, mentre lo sviluppo successivo `e avvenuto in sinergia con l’ottimizzazione dello strumento di simulazione vero e proprio.
5.1
Versione 1.0
50 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA Figura 5.1: GUI V ersione1.0.
5.1. VERSIONE 1.0 51 La Versione 1.0 prevede una unica view in cui sono raccolti i parametri strettamente legati alla simulazione (fig. 5.1). Si riconoscono tre pannelli, rispettivamente:
• Time Settings • Data Settings • Legge di Controllo
ciascuno dei quali `e costituito da vari campi da compilare. Ciascun campo `e definito da (fig. 5.2):
Figura 5.2: Dettaglio della GUI Versione1.0.
• testo per l’identificazione della variabile da settare (text );
• casella di edit per l’inserimento del valore o stringa da associare alla variabile;
• eventuale popupmenu (fig. 5.3) per la selezione dell’unit`a di misura qualora ce ne fosse pi`u di una disponibile.
Tale interfaccia si presenta di immediata comprensione in quanto neces- sita della sola compilazione dei vari campi.
Al termine di tale procedura, cliccando sul tasto ‘Set ’ viene avviato il programma per la simulazione vera e propria, in accordo con i parametri inseriti.
52 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA
Figura 5.3: Selezione dell’unit`a di misura.
5.2
Versione 2.0
La necessit`a di introdurre la Versione 2.0 nasce dalla volont`a di rendere lo strumento di simulazione oltre che di facile utilizzo anche completamente trasparente all’utente.
La Versione 2.0 prevede l’implementazione delle stesse funzionalit`a della Versione 1.0, con aggiunta la possibilit`a di gestire pi`u parametri. Questa versione presenta quindi totale trasparenza del software e la possibilit`a da parte degli utenti pi`u esperti di poter interagire con tutti i parametri del sistema.
La veste grafica appare completamente cambiata. All’avvio della GUI ap- pare immediatamente un men`u (fig. 5.4) con le cinque categorie (Simulation Param’s, Physical Data, Numerical Data, Set Legs Control Law, Threshold and Auxiliary) in cui sono suddivisi i parametri da settare. Una volta selezio- nata la categoria da settare, il men`u principale resta a disposizione (fig. 5.5) per la navigazione dell’utente sul margine sinistro della finestra.
I campi da compilare sono strutturalmente analoghi a quelli presenti nella versione precedente con l’aggiunta di un eventuale tasto ‘info’ qualora si sia ritenuto opportuno offrire delucidazioni in merito al significato di una data variabile.
La GUI presenta inoltre tre bottoni:
• Set : bottone per il settaggio della categoria visualizzata;
• Start : bottone di avvio del programma di simulazione, in accordo con i parametri inseriti.
5.2. VERSIONE 2.0 53 • Close: bottone di chiusura della GUI.
54 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA Figura 5.5: Dettaglio della categoria Physic al Data .
5.3. VERSIONE 3.0 55
5.3
Versione 3.0
La necessit`a di introdurre la Versione 3.0 nasce dalla volont`a di migliorare la gestione delle categorie, di conferire maggiori funzionalit`a alla GUI e di rendere indipendente la GUI dal programma di simulazione.
L’indipendenza dal programma di simulazione consente all’utente di ope- rare il settaggio dei parametri e la simulazione vera e propria in tempi dif- ferenti. Tale versione prevede quindi che la GUI effettui un salvataggio dei parametri inseriti in un file.mat che verr`a passato come input al programma di simulazione in un secondo momento. Ci`o permette all’utente di salvare, in file.mat differenti, varie combinazioni di parametri che potranno essere testate in momenti successivi dal programma di simulazione.
Nella Versione 3.0 inoltre le cinque categorie sono state riarrangiate in un numero pari a quattro e ciascuna `e associata ad un tab1. L’utilizzo dei tab
consente di eliminare il men`u di navigazione, a vantaggio di una navigabilit`a pi`u fluida e una veste grafica conforme agli standard di uso comune.
La nuova versione (fig. 5.6) prevede quindi quattro tab (Simulation Para- meters, Physical Settings, Numerical Settings, Legs Control Law ) associati a quattro viste differenti e cinque bottoni (Set All Sections, About, Save to file, Save as default, Exit ) con funzionalit`a generali, visibili in qualunque vista.
1In informatica un tab `e un controllo grafico (widget ) detto di navigazione che permette
all’utente di muoversi da un gruppo di controlli (o documenti) a un altro.
I tab, vengono rappresentati graficamente come dei rettangoli che contengono una breve descrizione. L’attivazione di un tab (mediante il click del mouse) rende visibili i conte- nuti ad esso associati e contemporaneamente viene in qualche modo evidenziata la sua attivazione. Pu`o essere attivato un solo tab alla volta.[2]
56 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA Figura 5.6: Gui V ersione 3.0.
5.3. VERSIONE 3.0 57 I campi (fig. 5.7) nei vari tab sono raggruppati in pannelli e sono analoghi a quelli delle due versioni precedenti, ossia sono costituiti da:
• testo per l’identificazione della variabile da settare (text );
• casella di edit per l’inserimento del valore o stringa da associare alla variabile;
• eventuale popupmenu per la selezione dell’unit`a di misura qualora ce ne fosse pi`u di una disponibile;
• eventuale bottone info per avere delucidazioni in merito ad un dato parametro.
Figura 5.7: Dettaglio Gui Versione 3.0.
Ciascun tab prevede un bottone ‘Set this section’ per il settaggio della vista corrente.
Il tab ‘Physical Settings’ consente oltre alle funzionalit`a standard di: • Visionare mediante l’ausilio di un’immagine (fig. 5.8) il significato fisi-
co di alcuni parametri riferiti al robot. Questa operazione pu`o essere eseguita cliccato sul bottone ‘Figure’ in alto a sinistra nel tab.
• Selezionare il modello del tessuto da utilizzare nella simulazione, la scelta `e accompagnata da un grafico ‘Tensile Stress-Strain’ dei due modelli utilizzabili (fig. 5.9).
58 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA
Figura 5.8: Apertura di un’immagine esplicativa relativa ai parametri fisici del robot.
Figura 5.9: Sezione per la scelta del modello (a destra) con grafico esplicativo (a sinistra).
5.3. VERSIONE 3.0 59 Il tab ‘Legs Control Law ’ consente oltre alle funzionalit`a standard di: • visionare mediante l’ausilio di un’immagine (fig. 5.10) il significato fisico
di alcuni parametri riferiti alla legge di controllo del robot. Questa operazione pu`o essere eseguita cliccato sul bottone ‘Figure’ in alto a sinistra nel tab.
Figura 5.10: Apertura di un’immagine esplicativa relativa ai parametri fisici della legge di controllo del robot.
• Selezionare l’interpolante della legge di controllo da utilizzare nella si- mulazione, la scelta `e accompagnata da un grafico ‘Angle (or Relati- ve angle)-Time’ relativo agli interpolanti utilizzabili (fig. 5.11).
I cinque bottoni con funzionalit`a generali, visibili in qualunque vista hanno le seguenti mansioni:
• Set All Sections: Settare i parametri di tutti i tab indipendentemente dal tab correntemente in vista.
60 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA
Figura 5.11: Figura, con grafico esplicativo, per la scelta dell’interpolante.
• About : Fornisce informazioni sull’autore della GUI.
• Save to file: Salva i parametri settati in un file.mat che verr`a poi passato come input al programma di simulazione.
• Save as default : Salva i parametri settati come valori di default per l’avvio successivo della GUI.
• Exit : Chiude la GUI.
Sono stati inoltre inseriti dei controlli (warning) sulla validit`a fisica dei parametri inseriti, cosicch´e l’utente possa correggere i campi indicati come errati, prima di sottoporre il set di parametri al programma di simulazione.
5.3.1
Versione 3.5
La Versione 3.5 `e stata introdotta a seguito dell’aggiornamento del soft- ware che consentiva alla capsula di poter avere un numero differente di arti
5.3. VERSIONE 3.0 61 anteriori e posteriori, una disposizione spaziale degli stessi arti del tutto arbitraria e una legge di controllo indipendente per ogni singolo arto.
Gli aggiornamenti rispetto alla versione precedente sono:
• modifica del tab ‘Physical Settings’ affinch`e si possa impostare il numero di arti anteriori e posteriori. Da tale tab inoltre si ha l’accesso diretto al pannello per il settaggio della disposizione spaziale degli arti (fig. 5.12); • modifica del tab ‘Legs Control Law ’ affinch`e si possa impostare la legge di controllo di ogni singolo arto (per un massimo di 8 arti nella parte anteriore e nella parte posteriore 2). Il tab `e stato scomposto in due tab identici, uno per gli arti anteriori e l’altro per gli arti posteriori (fig. 5.13);
Figura 5.12: Tab ‘Physical Settings’ aggiornato.
2il limite di otto arti `e unicamente dovuto a dei limiti di visualizzazione dei campi nella
62 CAPITOLO 5. INTERFACCIA GRAFICA Figura 5.13: T ab ‘L egs Contr ol L aw ’ aggiornato.
Capitolo 6
Simulazioni condotte
Nel presente capitolo verranno raccolte le simulazioni effettuate. Tali prove sono state condotte principalmente per la definizione della legge di controllo pi`u opportuna per l’avanzamento della capsula.
Le simulazioni sono avvenute parallelamente all’implementazione del soft- ware affinch`e fossero anche queste a dettare le specifiche dello strumento di simulazione ed in particolare della legge di controllo degli arti.
Per il gergo utilizzato nella definizione delle variabili si rimanda a § 4.1.3.
6.1
Set di simulazioni preliminari
Il primo set di simulazioni `e stato condotto per individuare le grandez- ze che potessero essere variate e quelle che eventualmente dovessero essere mantenute costanti (tab. 6.1). Da ci`o `e emerso che:
• risulta opportuno individuare un ottimo tra le simulazioni effettuate ed utilizzare una opportuna legge di avanzamento tanto per gli arti anteriori che per gli arti posteriori;
• la capsula dovrebbe presentare generalmente un comportamento a due fasi: una fase di avanzamento, fase in cui il tessuto viene disteso (fase in contatto) e una fase in cui gli arti della capsula vengono richiamati
64 CAPITOLO 6. SIMULAZIONI CONDOTTE in prossimit`a del corpo affinch`e si possano portare nella posizione uti- le all’avanzamento successivo (fase non in contatto). Affinch`e gli arti della capsula siano sempre in contatto con il tessuto e si abbia quindi un avanzamento costante, `e opportuno che la legge di controllo oltre ad essere identica per gli arti anteriori e posteriori, presenti anche una durata della fase in contatto pari a quella della fase non in contatto co- sicch`e effettuando una traslazione temporale pari alla met`a del periodo, nella fase non in contatto degli arti anteriori, la capsula avanzi per il contributo degli arti posteriori e viceversa. Da ci`o si evince che, risul- ta opportuno settare un valore del periodo della legge di moto uguale per tutti e una volta trovati gli intervalli temporali associati a ciascuna azione, non risulta conveniente variarli a meno che non si opti per loro multipli o sottomultipli;
• gli angoli massimi di braccio `e di avambraccio risultano fondamentali per una corretta configurazione iniziale della fase di avanzamento e quindi una volta individuati sarebbe opportuno non variarli.
Restano dunque da caratterizzare gli angoli minimi dei link del braccio e gli angoli minimi dei link dell’avambraccio (ambedue argomenti del primo set di prove § 6.2).
I parametri utilizzati
Per i parametri fisici del robot e del tessuto si sono assunti validi quelli che generalmente si adoperano in laboratorio durante le prove sperimentali (tab. 6.2).
I parametri di simulazione utilizzati sono invece riportati in tabella 6.3. I parametri raccolti in questo paragrafo sono stati utilizzati per tutte le simulazioni condotte.
6.1. SET DI SIMULAZIONI PRELIMINARI 65
Legge di controllo del link braccio
Tempo up 1
Tempo up-down 5
Tempo down 1
Tempo down-up 2
Angolo max 90
Legge di controllo del link avambraccio
Tempo up 5
Tempo up-down 2
Tempo down 0
Tempo down-up 2
Angolo max -45
Tabella 6.1: Grandezze costanti utilizzate nelle simulazioni.
Robot
Diametro 12 mm
Lunghezza 33 mm
Massa 11.5 g
Distanza tra arti 21 mm
Lunghezza braccio anteriore 7 mm Lunghezza avambraccio anteriore 6.2 mm
Lunghezza braccio posteriore 7 mm Lunghezza avambraccio posteriore 6.2 mm
Tessuto
Diametro 28 mm
66 CAPITOLO 6. SIMULAZIONI CONDOTTE Parametri di simulazione
Posizione iniziale 0
Velocit`a iniziale 0 Intervallo di integrazione 10−3s Tabella 6.3: Valori di simulazione.