Bezstykowe manipulatory miniaturowe i przemysłowe

Bezstykowe manipulatory miniaturowe i przemysłowe

Bezstykowe manipulatory
miniaturowe i przemysłowe
Witold Ober
Manipulator ręczny (z ang. Joystick)
Joystick
jest nieodłącznym elementem konsol gier
komputerowych i sprzętu komputerowego
używanego w domu. Jest to jednak
również ważny element sterowania
przemysłowego maszyn i robotów.
Definicja
Manipulator jest urządzeniem we/
wy dla systemu komputerowego, służącym do zadawania najczęściej w dwóch,
trzech osiach kierunku, pozycji, prędkości ruchu, czyli do sterowania jakimś
elementem ruchomym realnej maszyny, względnie tylko wirtualnie na ekranie pozycji kursora lub innego elementu
graficznego. Po wpisaniu w znaną wyszukiwarkę internetową słowa „manipulator” pojawia się prawie 5 mln wpisów
kojarzonych głównie z manipulatorami
robotycznymi. W tym znaczeniu manipulator kojarzy się z mechanicznym ramieniem i jest bliższy angielskiemu słowu manipulator, oznaczającemu urządzenie do manipulowania obiektami bez
dotykania go bezpośrednio ręką ludzką
(z niem. Fernbedienungsgeraet). W języku polskim dokładne tłumaczenie słowa joystick
joystick, a mianowicie „drążek sterowy”, eliminuje te dwuznaczności, choć
naprawdę jest tylko mechaniczną częścią składową manipulatora drążkowego. Przyglądając się jednak dokładnie definicji angielskojęzycznej słowa
manipulator, stwierdzimy, że dopiero
łańcuch urządzeń joystick – komputer–ramię robotyczne składają się na
funkcje manipulatora. Ponieważ wskutek rozwoju technologii mikromechanicznych, elektroniki, robotyki powoli
można pogubić się w znaczeniach poszczególnych członów manipulatora
jako urządzenia do zdalnego poruszania obiektami, dalej w artykule pod pojęciem manipulatora rozumieć będziemy urządzenie sterujące do ręcznego
kontrolowania ruchu manipulowanych
obiektów graficznych lub części maszyn. Aby uspokoić Czytelników zawiedzionych tytułem, autor zapowiada
artykuł na temat manipulatorów robotycznych, który ukaże się w 2008 r.
70  NR 12  GRUDZIEŃ 2007 R.
Typy manipulatorów
Ze względu na charakter sygnału wyjściowego dzielić można manipulatory na
przełączne, analogowe i z wyjściem cyfrowym.
Manipulatory przełączne służą do wytworzenia sygnału przełączającego lub
załączającego określoną funkcję urządzenia, np. załączenie ruchu unoszenia
łopaty koparki. Najprostsze z nich mają
po prostu cztery mikrowyłączniki włączane kolejno po wychyleniu drążka manipulatora w kierunku każdego z nich.
Manipulatory analogowe najczęściej jako element czujnika mają wykorzystane
potencjometry, co pozwala na kontrolowanie proporcjonalne ruchu lub powtarzanie
tendencji wychylenia drążka przez układ
wykonawczy (np. lotek samolotu). W podobny sposób mogą działać manipulatory
z wyjściem cyfrowym np. w standardzie
USB bezpośrednio podłączalnym do popularnych PCtów. Wychylenia drążka, czyli
sygnały analogowe, są tu przetworzone na
odpowiednią informację cyfrową wysyłaną w określonym standardzie, jak RS232,
USB, CANbus lub innym. Element czujnika może też korzystać z technologii magnetycznej, magnetorezystancyjnej, indukcyjnej lub innej.
Manipulatory drążkowe mogą być też
wyróżniane ze względu na budowę i sposób poruszania drążka sterowego. Istnieją manipulatory palcowe poruszane tylko
kciukiem lub palcem wskazującym, manipulatory ręczne poruszane całą dłonią
lub manipulatory nożne poruszane stopą. Osobną grupę stanowią manipulatory kulowe (trackball), gdzie kula najczęściej porusza dwa enkodery inkrementalne. Istnieją też manipulatory kulowe
bezstykowe, gdzie przemieszczenie kuli czytane jest bezpośrednio ze struktury
kuli układami optycznymi. Wysokie wymagania systemów graficznych i rzeczywistości wirtualnej wygenerowały całą
gamę manipulatorów o wielu stopniach
swobody, np. bazujące na czujnikach inklinometrycznych i akcelerometrach, co
ma zastosowanie m.in. w wirtualnej rzeczywistości. Przyszłość gier wirtualnych
stworzy tutaj niewyobrażalną mnogość
Rys. 1. Budowa manipulatora 3-osiowego
bezstykowego
manipulatorów wyposażonych w sensorykę, a nawet sprzężenie zwrotne (drgania, nacisk, wywołanie bólu itd.).
Jednak w artykule skupimy się na zwykłych manipulatorach drążkowych używanych najpowszechniej w automatyce, technice medycznej, wielu branżach
przemysłowych, w sterowaniu pojazdami, maszynami roboczymi, w dziedzinach związanych z bezpieczeństwem publicznym, przy sterowaniu kamer.
Budowa
Dla zrozumienia zasady działania manipulatora drążkowego dobrze jest przedstawić budowę przykładowego manipulatora analogowego z czujnikami Halla.
Przykładową budowę pokazuje rys. 1,
ilustrujący w przestrzeni 3D trzyosiowy
manipulator bezstykowy z serii TRY10. Koniec drążka dzięki kardanowemu
zawieszeniu przemieszcza się w dwóch
płaszczyznach, realizując ruch w osiach
X i Y, a obrót drążka wymuszony skręceniem główki stanowi trzecią oś ruchu.
Ilustruje to wyraźniej rys. 2.
Rys. 2. Kardanowe zawieszenie drążka sterowego manipulatora
Elementy czujnika w manipulatorze
Do układu Kardana manipulatora mogą być podłączone czujniki potencjometryczne, czujniki magnetorezystancyjne,
indukcyjne lub ostatnio najpopularniejsze rozwiązanie – magnes oddziałujący
na czujniki Halla. Rys. 3 pokazuje, jak
magnes umieszczony na drążku manipulatora oddziałuje na układ scalony
umieszczony w podstawie obudowy manipulatora.
Rys. 3. Pomiar kąta czujnikiem Halla
Zastosowanie bezstykowych elementów czujników znakomicie wpływa na
żywotność manipulatora, ale też na większą swobodę konstruktorów, mogących
teraz tworzyć niemal dowolne wielkości
i kształty manipulatorów.
się oczywiste. Efekt Halla odkryty w ramach fizyki podstawowej ponad sto lat
temu zasadza się na występowaniu różnicy napięć w półprzewodniku pod wpływem zmian jednorodnego pola magnetycznego.
Proporcjonalna zależność napięcia od
siły pola magnetycznego jest źródłem budowy wielorakich czujników wykorzystujących efekt Halla, w tym czujników
kąta, prądu, przemieszczenia liniowego
itd. Rys. 5, ilustrujący prawie liniową
zależność napięcia Halla od kąta obrotu
magnesu w obszarze ±30°, pokazuje jednocześnie charakterystyczną własność
czujników Halla. W tym zakresie obrotu
charakterystyka jest prawie liniowa, dalsze wychylenie powoduje sinusoidalne
układanie się wartości napięcia i odwzorowanie staje się nieużyteczne.
Konstrukcyjnie dwuosiowy czujnik
Halla dla pomiaru kąta powrotu drążka
dwuosiowego manipulatora składa się
z czterech elementów Halla, położonych
pod kątem 90° w osi X i Y oraz planarnego ferromagnetycznego koncentratora
(zobrazowane na rys. 4). Po utworzeniu
struktury układu scalonego zawierającego elementy Halla dodatkowo nanoszona
jest warstwa dysku ferromagnetycznego.
Koncentrator z materiału ferromagnetycznego wypełnia funkcję wzmacniacza magnetycznego lokalnie koncentrującego linie sił pola magnetycznego nad
strukturami elementów Halla. To podnosi
ich czułość w takim manipulatorze i umożliwia stosowanie go w słabych polach magnetycznych. Oczywiście hermetyzowanie
żywicami chipu układu scalonego nie przeszkadza liniom sił pola magnetycznego, co
pozwala na umieszczanie na jednym podłożu nie tylko elementów Halla i układu
elektronicznego formującego sygnały, ale
nawet kontrolera zawiadującego standardem wyjścia np. USB.
reklama
W przypadku czujników potencjometrycznych ruch drążka sterowego przenoszony jest na zabieraki zamocowane
na osiach potencjometrów. W ten sposób
poszczególne składowe ruchu odkładają się na dwóch lub trzech potencjometrach, których suwaki określają wartość
sygnału wyjściowego proporcjonalnego
do przemieszczenia.
Jak działa element Halla
Użycie elementu Halla w manipulatorach dla przekształcenia ruchu drążka
sterowego w sygnał elektryczny wydaje
Rys. 4. Struktura dysku ferromagnetycznego zintegrowanego z czujnikami Halla
Rys. 5. Liniowość napięcia Halla w funkcji
kąta skręcenia magnesu w zakresie ±30°
NR 12 GRUDZIEŃ 2007 R.
Tabela typów
W tabeli poniżej pokazano typowe
standardowe modele manipulatorów
z czujnikiem Halla oferowane przez firmę Megatron z Niemiec.
Manipulator z serii TRY10 wyróżnia się mnogością wariantów wykonań
główek, profilu ogranicznika ruchu, rodzaju obudowy, mocowań, wyjść itp.
Występuje tu kilka wariantów tzw. preferowanych przez dostawcę, co skutkuje niską ceną zakupu nawet dla pojedynczych sztuk manipulatorów.
Manipulator TRY20 należy do grupy tzw. manipulatorów palcowych.
W sytuacji ograniczonego miejsca,
co się zdarza szczególnie w pulpitach przenośnych, również potrzebne
jest precyzyjne sterowanie osiami ruchu maszyn wykonawczych czy pojazdów. Przy sterowaniu jednym palcem, np. kciukiem, pozostałe palce
ręki mogą obsługiwać kolejne funkcje zadajnika, np. klawisze funkcyjne. Manipulator ten nie jest wykonywany z wyjściem w standardach łączności cyfrowej.
Manipulator TRY50 jest kompromisem wymiarowym pomiędzy dużymi
manipulatorami obsługiwanymi w rękawicy a serią TRY10; przy zachowaniu
wszystkich funkcji dużego manipulatora
zachowuje bardzo kompaktowe wymiary. Manipulator ten wykonywany jest do
stopnia szczelności IP65.
Rys. 6. Grupa manipulatorów TRY80-81
Specjalnie do realizacji kompleksowych zadań sterowania w trudnych warunkach przeznaczono manipulatory
TRY80 i TRY81 firmy Megatron. Manipulator dwuosiowy TRY80 ma okrągły
uchwyt o wysokości 108 mm (od podstawy 151 mm) i możliwość zawierania
w uchwycie do dwóch przycisków, na-
a)
b)
Rys. 7. Przykłady specjalizowanych lic manipulatora TRY81
Tabela 1. Przemysłowe manipulatory z czujnikiem Halla
Parametr/model
TRY10
TRY20
TRY50
Ilość osi
1, 2, 3
2, 3
1, 2, 3
Ilość przycisków
1/2/00
–
0/2/4
Kąt wychylenia
X, Y
±18º
±15º
±20º
Kąt obrotu Z
±40º
±30º
±40º
Napięcie wyjściowe
0–5 V
0–5 V
0–5 V
0,25–4,5 V
0,25–4,5 V
0,25–4,5 V
0,5–4,5 V
0,5–4,5 V
0,5–4,5 V
2,0–3,0 V
Interfejs
Trwałość godzin
Zakres temperatur
USB2.0
2,0–3,0 V
–
USB2.0, CANbus
> 1 mln
> 1 mln
> 1 mln
–25 do +85ºC
–20 do +60ºC
–25 do +85ºC
IP65
IP40, IP54
IP40, IP65
Stopień ochrony
72  NR 12  GRUDZIEŃ 2007 R.
tomiast TRY81 z rączką zawierającą pole na przyciski może mieć max. 3 osie.
Wielofunkcyjny uchwyt TRY81 może
być dopasowany do potrzeb za pomocą
wodoszczelnych przycisków i przełączników (max. 8 przycisków). Prowadzenie drążka w osiach XY kontrolowane
jest jednym z pięciu możliwych sposobów prowadzenia (kwadrat, przekręcony o 45º kwadrat, koło, krzyż, szczelina). Ponieważ sterowanie opcjonalne osi
Z następuje przez obrót całego drążka,
zapewnione jest intuicyjne i precyzyjne
sterowanie. Zastosowane jako czujniki
przemieszczenia elementy Halla czynią
drążek odpornym na drgania. Poprzez zastosowanie tworzyw i metali nierdzewnych produkt ten nie daje szans korozji.
Specjalne uszczelnione przyciski i zamknięta mieszkiem gumowym konstrukcja zapewniają stopień ochrony IP68.
Manipulatory TRY80 i TRY81 dostępne są w wykonaniach z różnymi poziomami napięcia wyjściowego z zakresu
od 0 do 5 V. Możliwe są też wersje z łączem USB lub szeregowym CAN-Bus,
a także opcje z rozpoznawaniem środka
oraz z dodatkowymi sygnałami wyjściowymi.
Rys. 7 a i 7 b pokazuje przykładowe
wykonania specjalizowanych lic główki manipulatora TRY81, zawierających
różne przełączniki i przyciski funkcjonale. Możliwe są tu formy zwykłych lub
podświetlanych przycisków.
Przykładowe aplikacje
Małe manipulatory chętnie stosowane
są w przenośnych urządzeniach sterujących od sterowania modelami latającymi, robotami mobilnymi, poprzez studia
audio-wideo, aparaturę laboratoryjną, do
chwytaków urządzeń przemysłowych.
Najmniejsze manipulatory potencjometryczne, jak np. z serii 802, wręcz używane były w konsolach gier komputero-
stosowanego ergonomicznie i wymaganiami użytkownika do danej aplikacji.
Rys. 11 ukazuje wnętrze samolotu amatorskiego, gdzie w kokpicie zastosowano specjalnie do tego celu skonstruowany manipulator.
wych. Dzięki masowemu wytwarzaniu
osiągają bardzo niską cenę. Rys. 8 pokazuje prosty manipulator użyty w pulpicie przenośnym na tzw. wędce sterującej. Zadajnik wisi najczęściej przy
maszynie na kablu i steruje np. funkcją
jezdną i chwytną podwieszanego dźwigu
z chwytakiem.
Rys. 9. Sterowanie kamer
Rys. 8. Manipulator przenośny na kablu
Popularną aplikacją manipulatorów
potencjometrycznych i bezstykowych
(rys. 9) jest wykorzystanie ich do sterowania pozycjonowaniem kamer w centrach śledzenia ruchu miejskiego i bezpieczeństwa obiektów użyteczności publicznej. Manipulator z serii TRY10 w
różnych wykonaniach jest w tej dziedzinie bardzo silnym reprezentantem. Występuje tu też jego odmiana w obudowie
jako model MACHV z 12 przyciskami
na obudowie w standardzie USB.
Producenci nowoczesnych maszyn rolniczych czy wielofunkcyjnych pojazdów
roboczych zmuszeni są obecnie używać
zaawansowanych funkcjonalnie manipulatorów. Rys. 10 pokazuje przykład fotela
maszyny roboczej wyposażonego w pul-
pity sterujące dla obu rąk, gdzie oprócz
wielu przycisków funkcyjnych i dźwigni
naczelne miejsce zajmują manipulatory
drążkowe typu KOBRA. Manipulatory
te mają największe z dostępnych uchwytów gwarantujące precyzyjne sterowanie
maszyny nawet przez odzianą w rękawicę rękę pracownika.
Bezpośredni kontakt z producentem
manipulatorów umożliwia wykreowanie
specjalnego wyglądu manipulatora do-
Rys. 10. Fotel z manipulatorami
Rys. 11. Kokpit amatorskiego samolotu
Oczywiście projekty OEM wymagają sięgnięcia po większe ilości zamówieniowe, ale kilkadziesiąt standardowych
typów w różnych wykonaniach oferowanych przez firmę WObit stwarza konstruktorom dobrą sposobność do dopasowania z gotowej palety produktów najwłaściwszego rozwiązania dla wybranej
aplikacji. Wiele typów, szczególnie tych
preferowanych, dostępnych jest wprost
z magazynu w przystępnej cenie wynikającej z wyznaczenia wskazanego modelu
jako preferowanego.

P.P.H. WObit
Wydarzenia
NR 12  GRUDZIEŃ 2007 R. 
73