pełny tekst/full text - Uniwersytet Zielonogórski

ZASTOSOWANIE CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH
W URZĄDZENIACH DOTYKOWYCH
mgr Paweł Bachman, mgr Marcin Chciuk
Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny
ul. prof. Szafrana 4
65 - 516 Zielona Góra
tel. (068) 328 78 42
[email protected], [email protected]
1. WSTĘP
Urządzenia dotykowe (ang. Haptic Devices) zostały wynalezione stosunkowo niedawno.
W literaturze polskiej można spotkać się też ze zwrotem „urządzenia haptyczne”. Określenie
haptyczny, czyli dotykalny, związany z dotykiem (gr. háptein – przyczepiać, chwytać) odnosi
się do cech przedmiotów, które można zbadać przy pomocy dotyku np. porowatość, twardość,
ciężar itp.
Urządzenia dotykowe służą do przekazywania bodźców dotykowych z komputera do
użytkownika. Bodźcami tymi mogą być:
 siła z jaką naciska się na przedmiot (siłowe sprzężenie zwrotne – ang. Force
Feedback),
 kształt,
 masa,
 tekstura,
 temperatura,
 wibracje (ang. Vibrotactile Feedback).
Elementami, dzięki którym wrażenia dotykowe mogą być z komputera przekazywane do
użytkownika są wszystkie części urządzeń, z którymi człowiek ma styczność, przy pomocy
zmysłu dotyku. Najczęściej są to różnego rodzaju manipulatory: joystick’i, kierownice,
myszki, pedały, ale mogą to również być monitory dotykowe, rękawice, kostiumy obejmujące
górne lub dolne kończyny oraz wszelkiego rodzaju imitacje rzeczywistych przedmiotów
(skalpel, smyczek od skrzypiec [1]).
Urządzenia dotykowe dołączyły do istniejących już elementów wirtualnej rzeczywistości:
trójwymiarowego obrazu i przestrzennego dźwięku i stanowią jej rozszerzenie, a połączenie
wszystkich tych systemów ma na celu takie stymulowanie zmysłów człowieka, aby
komputerowo generowane środowisko odbierał w jak najbardziej realny sposób. Znajdują one
również szerokie zastosowanie w przemyśle, zastępując tradycyjne manipulatory. Przekazują
one operatorom maszyn informacje o stanie urządzenia np.: jaka masa jest podnoszona lub
jakie opory napotyka narzędzie.
2. PRZEGLĄD ISTNIEJĄCYCH URZĄDZEŃ DOTYKOWYCH
Jednym z głównych producentów zajmujących się tworzeniem urządzeń dotykowych jest
firma Immersion [7]. Ma ona prawa patentowe do rozwiązania zwanego jako "Haptic", a z jej
pomysłów korzystają inne firmy przemysłu komputerowego. Wytwarza ona niemal wszystkie
rodzaje w/w urządzeń, poczynając od stosowanych w grach komputerowych joystick’ów,
pedałów i kierownic poprzez myszki, rękawice dające wrażenie uścisku wirtualnego
przedmiotu (rys. 1), aż do skomplikowanych systemów, takich jak przedstawiona na rys. 2
dotykowa stacja robocza.
Rys.1. Jostick, pedały i rękawica produkowane przez firmę Immersion [7]
Dotykowa Stacja Robocza (ang. Haptic Workstation), jest to w pełni zintegrowany system
symulacyjny oparty o siłowe sprzężenie zwrotne, łączący w sobie specjalny hełm do
przekazywania wirtualnego obrazu oraz nakładane na dłonie rękawice pozwalające
użytkownikowi na interakcję z wirtualną rzeczywistością i manipulowanie przy pomocy rąk
modelami wykonanymi w programach typu CAD.
Rys. 2. Dotykowa stacja robocza firmy Immersion [7]
Firma Immersion produkuje też symulatory medyczne używane podczas symulacji
zabiegów laparoskopii, histeroskopii oraz endoskopii.
Rys.3. Symulatory medyczne produkowane przez firmę Immersion do ćwiczenia: a) laparoskopii,
b) histeroskopii, c) endoskopii [7]
Kolejnym producentem urządzeń dotykowych jest firma SensAble [9]. Ma ona w swojej
ofercie dwa urządzenia dotykowe. Pierwszym z nich jest urządzenie o nazwie SensAble
Phantom Desktop (rys. 4a). Dzięki niemu użytkownicy mogą dotykać wirtualnych
przedmiotów, czuć ich fakturę, twardość, wagę itp. Drugie urządzenie to HapticMASTER
(rys. 4b), opracowane wspólnie z firmą FCS Robotics, czołowym producentem różnego
rodzaju symulatorów. Jest to ramię mające trzy stopnie swobody, które ma możliwość
przekazywania użytkownikowi siły do 250N. Może ono znaleźć zastosowanie w wielu
dziedzinach: sterowanie w przemyśle, chirurga i rehabilitacja w medycynie, projektowanie
elementów sterujących oraz pomiar sił w ergonomii, różnego rodzaju symulatory.
a)
b)
Rys. 4. Urządzenie dotykowe firmy SensAble: a) SensAble Phantom Desktop,
b) HapticMASTER [9]
Inną firmą produkującą urządzenia dotykowe jest Force Dimension [6]. Ma ona w swojej
ofercie między innymi urządzenia: 3-DOF OMEGA i 3- 6- DOF DELTA, uchwyt i przycisk z
siłowym sprzężeniem zwrotnym.
Rys. 5. Urządzenia dotykowe 3-DOF OMEGA i 3-DOF DELTA firmy Force Dimension [6]
Produkty w/w firm są tylko przykładem coraz szerszego zastosowania urządzeń
dotykowych. Urządzenia takie w swoich wyrobach stosuje też firma BMW – w modelu serii 7
umieszczono opracowany przez firmę Immersion system IDrive Controller – dotykowy
przycisk z siłowym sprzężeniem zwrotnym sterujący komputerem pokładowym, firma
Microsoft stosuje je w joystick’ach, kierownicach i pedałach z siłowym sprzężeniem
zwrotnym, podobne urządzenia produkują też Logitech oraz Saitek. W ramach projektu
badawczego Unii Europejskiej GRAB przez badaczy z Hiszpanii, Irlandii, Niemiec, Wielkiej
Brytanii i Włoch prowadzone są prace nad stworzeniem nowego typu interfejsu
komputerowego, który ma umożliwić osobom niewidomym nawigację w trójwymiarowym
środowisku graficznym. Urządzenie to będzie nosiło nazwę Haptic & Audio Virtual
Environment (HAVE) i składać się będzie z umieszczonych nad płaskim blatem dwóch,
podłączanych do palców obu dłoni użytkownika, mechanicznych ramion.
Urządzeniami dotykowymi mocno interesuje się też środowisko naukowe. Przykładem
może być wspierane przez czołowych producentów urządzeń dotykowych i poświęcone w
całości tej technologii, międzynarodowe sympozjum naukowe, które odbyło się w 2005 roku
w Pizzie [10].
3. WŁAŚCIWOŚCI CIECZY MAGNETOREOLOGICZNYCH
Ciecz magnetoreologiczna (MRF) jest układem dyspersyjnym złożonym z nośnika w
postaci oleju mineralnego lub syntetycznego, w którym jest rozproszona zawiesina
ferromagnetyczna powleczona powłoką powierzchniową. Model cieczy przedstawiono
na rys. 6. Szczególną cechą cieczy MR jest wzrost jej lepkosprężystych właściwości wraz ze
wzrostem działającego na nią pola magnetycznego. Zachowanie cieczy MR, na którą nie
działa pole magnetyczne podobne jest do zachowania zwykłych cieczy newtonowskich,
natomiast jeśli umieścić ową ciecz w polu magnetycznym zawieszone w niej cząsteczki
ferromagnetyczne zaczynają zachowywać się jak „miniaturowe magnesy”, układając się
wzdłuż linii sił pola magnetycznego i stanowią przeszkodę dla przepływu nośnika.
a)
b)
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
S
S
N
S
N
S
N
S
N
S
N
N
S
N
S
N
S
N
S
S
N
S
N
3
N
S
N
N
2
S
N
N
S
N
S
N
S
S
N
S
N
N
S
N
S
N
N
S
N
S
N
S
N
N
S
N
S
S
N
S
N
S
1
N
S
S
N
S
S
N
N
S
N
S
S
N
N
S
S
N
S
N
S
S
Rys. 6. Model cieczy magnetoreologicznej: a) przy braku pola magnetycznego, b) w obecności pola
magnetycznego [8] (1 – olej mineralny lub syntetyczny, 2 – zawiesina ferromagnetyczna,
3 – powłoka powierzchniowa)
Rodzaj cieczy MR oraz jej właściwości określają następujące parametry [3, 4, 5, 8]:
• lepkość (przy braku pola magnetycznego) – 0,2 ÷ 0,3 Pa-s,
• maksymalne natężenie pola magnetycznego – 250 kA/m,
• gęstość: 3 ÷ 4 g/cm3,
• czas reakcji: kilka milisekund,
• zasilanie cewki: 2 ÷ 25 V; 1 ÷ 2 A,
• temperatura pracy: -50 ÷ 150 °C.
Przytoczone powyżej właściwości pozwalają na zbudowanie liniowego hamulca MR. Aby
określić, jakiego rzędu siły mogą wystąpić w takim hamulcu przeanalizowano budowę i
zasadę działania istniejących liniowych tłumików z cieczą MR. Przykładową charakterystykę
zachowania się tłumika MR firmy LORD (RD 1005-3) dla różnych prądów przepływających
przez cewkę zaworu MR przedstawia rys. 7.
2000
1500
1A
1000
0.5A
Siła (N)
500
-0.2
0A
0
0A
-0.1
0.1
0.2
-500
0.5A
-1000
1A
-1500
-2000
Prędkość (m/s)
Rys. 7. Wykres zależności siły od prędkości przesuwu tłoka dla różnych prądów przepływających przez
cewkę zaworu magetoreologicznego dla tłumika RD 1005-3 firmy LORD
Do budowy hamulca magnetoreologicznego zostanie wykorzystana ciecz MRF132AD
firmy Lord.
4. ZASTOSOWANIE W URZĄDZENIU DOTYKOWYM CIECZY MR
Wykorzystując właściwości cieczy magnetorologicznych postanowiono zbudować
dotykowy joystick, który służyłby do sterowania prędkością napędu hydraulicznego, a poza
tym informowałby operatora o siłach, jakie ten siłownik podnosi lub przesuwa. Urządzenie
takie mogłoby znaleźć zastosowanie w maszynach, w których jako element wykonawczy
zastosowano napęd hydrauliczny, który narażony jest na zmienne, często bliskie
znamionowym obciążenia (dźwigi, koparki, podnośniki itp.). Schemat opisanego urządzenia
przedstawia rys. 8.
± 30°
4
3
2
6
5
1
Rys. 8. Schemat urządzenia dotykowego: 1 – cylinder z MRF, 2 – zawór magneto-reologiczny, 3 – rączka
joystick’a, 4 – czujnik uchwytu joystick’a, 5 – czujnik położenia joystick’a, 6 – silnik z przekładnią
Operator maszyny poprzez ruch joystick’a do przodu i do tyłu będzie zmieniał kierunek
posuwu siłownika. Prędkość posuwu będzie proporcjonalna do kąta wychylenia joystick’a.
Układ ma za zadanie nie dopuścić, aby przy dużym obciążeniu tłok szybko osiągał
maksymalną prędkość lub żeby przy obciążeniach bliskich znamionowym nie osiągał jej
wcale. Może to zapobiec zniszczeniu maszyny. Im większa jest masa przesuwana przez tłok,
tym, w miarę wzrostu prędkości, na uzwojenia cewki podawane jest większe napięcie, co
zwiększa lepkość cieczy MR, przez co joystick napotyka coraz większy opór.
Silnik ma za zadanie ustawiać joystick w pozycji neutralnej i zatrzymywać tłok siłownika
hydraulicznego w momencie, gdy czujnik uchwytu joystick’a wskazuje „brak uchwytu”.
Pozycja joystick’a odczytywana jest z encodera. W momencie napotkania przez tłok
zwiększonego oporu (nagłe zwiększenie masy, uderzenie w przeszkodę) silnik poprzez
cofnięcie joystick’a ma za zadanie zmniejszyć prędkość, a gdy masa jest zbyt duża, żeby ją
przesuwać, zatrzymać tłok. Każde takie zmniejszenie prędkości będzie odczuwane przez
operatora jako szarpnięcie joystick’a w kierunku przeciwnym od siły nacisku jego ręki. W
przypadku, gdy masa nie będzie większa od masy znamionowej będzie on oczywiście mógł
kontynuować pracę z większą prędkością, jednak powrót do poprzedniego położenia
joystick’a będzie już utrudniony, ze względu na zwiększone opory stawiane przez hamulec z
cieczą MR. Operator w tym momencie będzie wiedział, że dalsze zwiększanie prędkości
przesuwu tłoka powoduje nadmierne zużywanie elementów układu hydraulicznego. Schemat
współpracy urządzenia dotykowego z pozostałymi elementami systemu przedstawia rys. 9.
1
3
B
2
5
C
5
A
D
4
E
5
F
Rys. 9. Schemat współpracy urządzenia dotykowego z pozostałymi elementami systemu: 1 – masa, 2 – pomiar
siły, 3 – siłownik z zaworem proporcjonalnym, 4 – komputer sterujący, 5 – elektroniczne układy dopasowujące,
A – sygnał pomiaru siły (analogowy lub cyfrowy), B – sygnał sterowania zaworem (analogowy), C – sygnał
sterownia cewki (analogowy), D – sygnał położenia joystick’a (cyfrowy), E – sygnał sterowania silnika
joystick’a (analogowy), F – sygnał uchwytu joystick’a (cyfrowy „0” – brak uchwytu, „1” – jest uchwyt)
Oszacowano, że prędkość przesuwu tłoka w hamulcu MR podczas pracy joystick’a będzie
mniejsze od 0,3 m/s, zatem zakładając, że prąd w cewce będzie wynosił 1A przy
odpowiedniej konstrukcji zaworu MR w hamulcu osiągnąć będzie można siły dochodzące
nawet do 1000N (rys. 7). Biorąc pod uwagę dźwignię, jaką tworzy ramię jojstick’a, siła z jaką
można będzie hamować w miejscu uchwytu będzie wynosiła około 300N.
W celu uniknięcia komplikacji związanych z różnymi pojemnościami komór w siłowniku
jednostronnego działania i koniecznością stosowania dodatkowego akumulatora dla cieczy
MR do budowy hamulca użyty będzie siłownik hydrauliczny dwustronnego działania. Dla
średnicy tłoka 10mm i średnicy tłoczyska 3mm przyjmując, że nacisk na dźwignię joystick’a
wynosi do 50N* maksymalne ciśnienie w tłoku z cieczą MR wyniesie około 0,35MPa.
5. ZAKOŃCZENIE
Artykuł ten miał za zadanie przedstawić główne założenia projektowe dotyczące budowy
dotykowego joystick’a z cieczą MR, służącego do sterowania napędu hydraulicznego.
Podczas pisania tego artykułu stanowisko badawcze oraz całe urządzenie dotykowe było
jeszcze w trakcie budowy. W ciągu niedługiego okresu czasu prace projektowo-montażowe
zostaną zakończone, a wyniki badań wraz ze szczegółami konstrukcyjnymi opublikowane.
LITERATURA
Baillie S., Brewster S., Hall C., O'Donnell J. „Motion Space Reduction in a Haptic
Model of Violin and Viola Bowing”, First Joint Euro Haptic Conference and
Symposium on Haptic Interface for Virtual Environmant and Teleoperator System,
Pisa 2005.
[2] MacLean, K. E. „Designing with Haptic Feedback”, in Proceedings of IEEE Robotics
and Automation (ICRA'2000), San Francisco.
[3] Milecki A., Ławniczak A.: Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich
zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1999.
[4] Milecki A.: Liniowe serwonapędy elektrohydrauliczne, Wydawnictwo Politechniki
Poznańskiej, Poznań, 2003.
[5] Milecki A.: Wybrane metody poprawy właściwości liniowych serwonapędów
elektrohydraulicznych, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań, 1999.
[6] http://www.forcedimension.com
[7] http://www.immersion.com
[8] http://www.lord.com
[9] http://www.sensable.com
[10] http://www.worldhaptics.org
*
Dane pobrane z karty katalogowej przykładowego joystick’a JC 120 firmy Penny and
Giles
[1]
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego KBN p.t.: "Konstrukcja i badania urządzeń zadających
i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym"