Andrzej Milecki, prof.dr hab. inż., Politechnika Poznańska Paweł

Andrzej Milecki, prof.dr hab. inż., Politechnika Poznańska Paweł

Andrzej Milecki, prof.dr hab. inż., Politechnika Poznańska
Paweł Bachman, mgr inż., Uniwersytet Zielonogórski
Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i
z siłowym sprzężeniem zwrotnym – podsumowanie projektu badawczego
Artykuł ten prezentuje konstrukcje i wyniki badań wybranych hamulców
magnetoreologicznych i dżojstików dotykowych. Na początku artykułu zamieszczone są
wiadomości teoretyczne dotyczące technologii haptic. Następnie opisane są hamulce
magnetoreologiczne, ich charakterystyki i wykonane z ich użyciem dżojstiki. Końcowa część
artykułu to opis innych konstrukcji dżojstików dotykowych i możliwych zastosowań
zaprojektowanych urządzeń.
Construction and research of control devices with magnetorheological fluids and force
feedback – summary of research project
The article presents constructions and research’s results of choose magnetorheological brakes
and haptic joysticks. In the beginning theoretical information’s about haptic technology are
given. Than the magnetorheological brakes, they characteristic and haptic joystick made with
theirs using are described. Finally other haptic’s constructions and conceivably using of
designed devices are shown.
1. Wprowadzenie
Obecnie w wielu ośrodkach naukowych trwają różnorodne prace zmierzające do zbudowania
urządzeń zdolnych do interakcji między komputerem a człowiekiem za pomocą zmysłu
dotyku. Urządzenia te w literaturze angielskojęzycznej nazywane są jako „haptic devices”.
Słowo „haptic” pochodzi z języka greckiego (grec. haphe) i oznacza wchodzenie w zakres
zmysłu dotyku. Urządzenia dotykowe pozwalają użytkownikom dotknąć, czuć i manipulować
trójwymiarowymi przedmiotami w środowisku wirtualnym oraz mogą też znaleźć
zastosowanie w sterowaniu obiektami w systemach teleoperacyjnych. Wykorzystują one
dotykowe (ang. tactile feedback) lub siłowe (ang. force feedback) sprzężenie zwrotne. Takie
sprzężenia zwrotne są wyczuwane poprzez receptory umieszczone na skórze rąk lub w
mięśniach. Poprzez dotykowe sprzężenie zwrotne możliwe jest wyczuwanie kształtu, faktury,
temperatury lub wibracji. Siłowe sprzężenie zwrotne jest wyczuwalne przez receptory
umieszczone głębiej w ciele. Dostarczają one do systemu kinetycznego umieszczonego w
mięśniach, ścięgnach i koniuszkach palców informację o całkowitej sile kontaktu lub wadze
podnoszonego przedmiotu. Z pomocą urządzenia dotykowego siłowe sprzężenie zwrotne
pozwala na odczucie wielkości podnoszonej lub przesuwanej masy lub siły oporu stawianej
przez części ruchome sterowanego urządzenia, wytwarzając wrażenia podobne do tych, które
występują w kontakcie z prawdziwymi przedmiotami.
Urządzenia typu haptic są urządzeniami wejścia-wyjścia tzn., że śledzą one fizyczne
manipulacje użytkownika (wejście), a przy tym dostarczają realistyczne wrażenie dotyku
skoordynowane z wydarzeniami pochodzącymi ze sterowanego urządzenia lub wirtualnej
rzeczywistości (wyjście). Przykładami dotykowych urządzeń (rys. 1), są np. dżojstiki
(Force™ 3D Pro) i kierownice (MOMO® Racing Force Feedback Wheel) oraz bardziej
skomplikowane urządzenia przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, medycznych lub
naukowych np. roboty chirurgiczne [1]. Do wywierania oporu ruchu w urządzeniach tego
typu stosowane są najczęściej różnego rodzaju silniczki lub elektromagnesy.
c)
a)
b)
Rys. 1. Urządzenia dotykowe firmy Logitech: joystick (a), kierownica (b), pedały (c) [9]
Zagadnienia te były rozpatrywane w ramach projektu KBN nr 4 T07B 002 29. Przedmiotem
projektu była problematyka budowy i sterowania dżojstików z siłowym sprzężeniem
zwrotnym. Zaplanowano, że w tych dżojstikach, jako element wywołujący siłę oporu zostaną
wykorzystane hamulce z cieczą magnetoreologiczną (MR). Ciecze MR [7] należą do tzw.
smart materials, bowiem zmieniają one swoje właściwości w obecności pola magnetycznego.
Przy jego braku zachowują się jak zwykły olej, a w obecności pola magnetycznego zmieniają
konsystencję do przypominającej gęsty smar. Głównym celem projektu było zbudowanie
urządzeń (dżojstików), zdolnych do przekazywania sygnałów od poruszającego nimi
człowieka do komputera i dalej do urządzenia wykonawczego. Dżojstiki te powinny
umożliwiać przekazywanie siły ze sterowanego urządzenia, poprzez komputer, do operatora.
Wartość tej siły powinna być zależna od rzeczywistych sił oporu ruchu elementów
wykonawczych. Dzięki temu możliwe jest stworzenie sprzężenia zwrotnego, skierowanego do
człowieka obsługującego za pośrednictwem komputera maszynę albo wykonującego jakieś
czynności w wirtualnej rzeczywistości. Pierwszym etapem prac było opracowanie metody
sterowania oraz zaprojektowanie układów elektronicznych pośredniczących pomiędzy
dżojstikiem, sterowanym obiektem i komputerem. Następnie przeprowadzono analizę
różnych istniejących konstrukcji urządzeń z cieczą MR, opracowano własne konstrukcje
poszczególnych urządzeń dotykowych, wykonano je i sprawdzono ich działanie.
Ze względu na ograniczenia objętości publikacji, w niniejszym artykule zostaną
przedstawione niektóre konstrukcje oraz przykładowe wyniki badań.
2. Opis wybranych konstrukcji i wyniki badań
Pierwszą konstrukcją, jaka zostanie przedstawiona jest hamulec magnetoreologiczny, który
zostanie zastosowany do budowy dżojstika wahadłowego, jednoosiowego. Widok tego
hamulca pokazany jest na rys. 2a, a wykres zależności momentu obrotowego od prądu
płynącego przez cewki hamulca MR na rys. 2b. Badania momentu hamującego wykonano na
stanowisku wyposażonym w momentomierz dynamiczny firmy Magneton Elektronik (typ
DFM22 5.0 S +/- 5Nm). Pomiary wykonywane były przy pomocy komputera PC z kartą
DaqBoard 3001.
a)
b)
3,5
3
M [Nm]
2,5
2
1,5
1
0,5
0
0
0,05
0,1
0,15
0,2
0,25
0,3
I [A]
Rys. 2. Widok hamulca MR (a) oraz wykres zależności momentu hamującego od prądu
płynącego przez cewki hamulca MR (b)
Następnie, na bazie tego hamulca, wykonano dżojstik (rys. 3a), w którego dźwigni na czas
badań zamontowano tensometryczny czujnik siły i wyznaczono zależność siły hamującej (Fj)
dżojstika od prądu płynącego przez cewkę hamulca magnetoreologicznego (I). Wyniki tych
pomiarów pokazane są na rys. 3b.
a)
Fj
Czujnik siły
b)
[N]
FF
j [N]
Hamulec
MR
Potencjometr
20
18
16
14
12
10
8
6
4
2
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
II [A]
[A]
Rys. 3. Widok dżojstika wahadłowego (a) oraz charakterystyka siły hamującej dżojstika w
zależności od prądu hamulca (b), (Fj – siła dżojstika, I – prąd hamulca MR)
Po przebadaniu dżojstika w pierwszej kolejności wykonano układ sterowania komputerowym
modelem napędu elektrohydraulicznego. Model jest opisany transmitancją:
k s s2
y( s)
G( s) 

x( s) s( s 2  2 s s s   s2 )
(1)
gdzie: ks– współczynnik wzmocnienia, ωs– częstotliwość drgań własnych, ζs– współczynnik
tłumienia.
Parametry wymienionych transmitancji można określić na podstawie danych zawartych w
katalogach, a przytaczane one były też w publikacjach [4, 5]. Podczas symulacji, dla
przesuwanej masy m=500 kg, transmitancja zaworu wynosiła:
200
G( s)  2
s  230s  10000 ,
(2)
a siłownika:
15936437
G( s)  3
s  80s 2  159822s .
(3)
Schemat modelu napędu elektrohydraulicznego wykonany w programie Simulink pokazany
jest na rys. 4.
In 2
Piston’s force
Fp
PID
In 1
Joystick’s
position
αj
200
PID
Controller
1
s
1
s
Integrator4
Integrator1
1
s
15936437
1
s
Integrator5
230
Integrator2
80
1
s
Integrator3
Out 1
Piston’s
position
yp
159822
10000
Piston model
Valve model
40
Rys. 4. Schemat modelu napędu elektrohydraulicznego wykonany w programie Simulink
Wykorzystując opisany powyżej model napędu elektrohydraulicznego w programie Simulink
zbudowano układ sterowania, i wykonano pomiary siły hamującej dżojstika (Fj) dla różnych
współczynników twardości ściskanego przedmiotu. Wyniki pomiarów pokazane są na rys. 5a,
a widok siłownika i ściskanej kuli w wirtualnej rzeczywistości pokazano na rys. 5b.
a)
b)
25
k=3
k=2,5
k=2
k=1,5
k=1
k=0,5
k=0
FFj [N]
20
15
10
5
0
0
1
2
3
4
t [s]
Rys. 5. Charakterystyka Fj=f(t) – ściskanie dla różnych współczynników twardości k (a),
widok wirtualnego modelu siłownika hydraulicznego w wirtualnej rzeczywistości (b).
Rysunek 6a przedstawia charakterystyki położenia i siły dżojstika oraz siłownika w czasie
podczas prób zderzeniowych. Linia x umieszczona jest w momencie zatrzymania dżojstika,
gdy operator wyczuł większy opór po uderzeniu siłownika w przeszkodę. Rysunek 6b
pokazuje widok siłownika i przeszkody w wirtualnej rzeczywistości.
a)30
25
20
15
10
5
0
-5 0
-10
-15
-20
b)
α j []
yp [mm]
1
Fp [kN]
3
2
4
Fj [N]
t [s]
x
Rys. 6. Charakterystyki uzyskane w wyniku badań symulacyjnych – zderzenie (a) oraz widok
wirtualnego modelu siłownika i przeszkody – zderzenie (b) (Fp – siła siłownika, Fj – siła
dżojstika, yp – pozycja siłownika, αj – położenie kątowe dżojstika)
Następnym etapem pracy było przebadanie procesu sterowania napędu elektrohydraulicznego
przy pomocy dżojstika z hamulcem MR. Zaprojektowano układ pomiarowy, w którym jako
obciążenie siłownika zastosowano liniowy hamulec magnetoreologiczny z możliwością
regulacji siły oporu. Do sterowania użyto komputer PC z kartą Advantech PCI 1716 i
programem Matlab/Simulink. Do pomiarów wykorzystano drugi komputer z kartą DaqBoard
3000 i programem DasyLab. Schemat blokowy tego układu pokazano na rysunku 7.
Zawór
Siłownik Czujnik siły Liniowy hamulec MR
Sterowanie
obciążeniem
ys
Fs
Położenie siłownika
Sterowanie zaworu
Siła siłownika
PC 2
PC 1
Pomiar
Matlab
Simulink
karta zaworu hydraulicznego
Analog
Input
silownik
10
Analog Input4
Advantech
PCI-1716 [auto]
Analog
Input
KP
dzojstik
Analog
Output
Analog Output
Advantech
PCI-1716 [auto]
2
Kd
Analog Input1
Advantech
PCI-1716 [auto]
cewki hamulca MR
Analog
Input
DasyLab
Analog Input2
Advantech
PCI-1716 [auto]
czujnik sily silownik
-10
KHMR
Analog
Output
Analog Output1
Advantech
PCI-1716 [auto]
ys Fs
Fs
DaqBoard
3001
PCI 1716
αj
ys
αj
Fj
Prąd HMR
Siła dżojstika
Pozycja dżojstika
Stopień
mocy
OPA549
Rys. 7. Schemat blokowy układu sterująco – pomiarowego
Widok stanowiska badawczego pokazany jest na rys. 8a. Operator siedzący przed
komputerem nie miał możliwości obserwowania ruchu siłownika. W związku z tym, że
sterowanie obciążeniem odbywało się poprzez ręczne włączenie odpowiedniego napięcia
cewki liniowego hamulca magnetoreologicznego, podczas badań nie było możliwości
sprawdzenia działania układu z obciążeniem sprężystym.
a)
a)
b) 60
α j []
40
20
Fj [N]
0
Indukcyjny
pomiar
położenia
Siłownik
hydrauliczny
PC 2
PC 1
-20
ys [mm]
0
2
4
6
Fs [kN]
-40
-60
Dżojstik
x
t [s]
c)b)
α j []
60
40
Czujnik siły
Liniowy hamulec
MR
20
ys [mm]
0
-20
0
2
4
-40
Fj [N]
6
Fs [kN]
-60
t [s]
x
y
Rys. 8. Widok stanowiska pomiarowego (a), przebiegi czasowe siły i położenia siłownika i
dżojstika przy włączonym siłowym sprzężeniu zwrotnym (b) oraz bez dodatkowego
sprzężenia siłowego (c) (Fs – siła siłownika, Fj – siła dżojstika, ys – położenie siłownika, αj –
położenie dżojstika)
Przebadano jedynie drugi przypadek, w którym tłoczysko siłownika uderza w przeszkodę. Na
rys. 8b pokazano charakterystyki położenia i siły dżojstika i siłownika w czasie z włączonym
siłowym sprzężeniem zwrotnym. Linia oznaczona literą x pokazuje moment zatrzymania
dżojstika w chwili, gdy operator wyczuł większy opór po uderzeniu siłownika w przeszkodę.
Na wykresie widać, że dżojstik i siłownik zatrzymały się niemal w tym samym czasie.
Rysunek 8c pokazuje wyniki pomiarów bez dodatkowego siłowego sprzężenia zwrotnego.
Przez cały czas pomiaru siła Fj równa była sile oporów własnych dżojstika. Na tym wykresie
widać, że dżojstik zatrzymał się dopiero w chwili oznaczonej literą y, czyli około 0,5 sekundy
po zatrzymaniu siłownika (linia x). Operator nie wyczuł momentu uderzenia siłownika w
przeszkodę. Zatrzymał dżojstik dopiero po zaobserwowaniu innego symptomu
spowodowanego wzrostem ciśnienia w układzie hydraulicznym po zatrzymaniu się siłownika
(wzrost natężenia dźwięku i wibracji). Różnica czasu zatrzymania dżojstika w obu badanych
przypadkach jest niewielka, gdyż ruch roboczy tłoczyska odbywał się zaledwie w zakresie
60mm, a operator siedział blisko całego urządzenia i z pewnym prawdopodobieństwem mógł
się domyślić, kiedy siłownik może się zatrzymać. Można przypuszczać, że gdyby zakres
ruchu i prędkość siłownika były większe, a stanowisko sterowania byłoby bardziej oddalone
od napędu, różnice te też były o wiele większe.
Kolejną konstrukcją wykonaną w ramach projektu był jednoosiowy dżojstik liniowy (rys. 9a)
zbudowany z użyciem hamulca widocznego na rys. 9b.
a)
b)
Rys. 9. Widok dżojstika liniowego (a) i hamulca MR (b)
1,6
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
1,4
1,2
1
0,8
0,6
0,4
0,2
0
M [Nm]
M [Nm]
Zależność momentu hamującego od prądu płynącego przez cewkę hamulca pokazane są na
rys. 10a, a wykresy momentu hamującego w czasie dla różnych wartości prądów płynących
przez cewki hamulca MR na rys. 10b.
a)
b)
0,36 A
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,3 A
0,26 A
0,23 A
0,2 A
0,16 A
0,13 A
0,1 A
0,06 A
0,03 A
0A
0
2
4
I [A]
6
8
t [s]
Rys. 10. Zależność momentu hamującego od prądu płynącego przez cewkę hamulca MR (a)
oraz wykresy momentu hamującego w czasie dla różnych wartości prądów płynących przez
cewki hamulca MR (b).
Na rys. 11 widoczne są przebiegi czasowe siły i położenia siłownika i dżojstika. Linia x
umieszczona jest w momencie zatrzymania dżojstika w momencie, gdy operator wyczuł
większy opór po uderzeniu siłownika w przeszkodę.
a)
60
50
Fj [N]
Fj [N]
40
ys [mm]
30
20
α j []
Fs [kN]
y j [cm]
10
Fs [kN]
0
0
0,5
1
x
1,5
ys [mm]
t [s]
Rys. 11. Przebiegi czasowe siły i położenia siłownika i dżojstika przy włączonym siłowym
sprzężeniu zwrotnym (Fs – siła siłownika, Fj – siła dżojstika, ys – położenie siłownika,
αj – położenie dżojstika)
Ostatnią opisaną konstrukcją będzie trzyosiowy dżojstik dotykowy [3], który jest
wykorzystywany do sterowania robota (rys. 12a). Na kiści robota umieszczono trzyosiowy
czujnik siły (rys. 12b).
X
Y
Z
Rys. 12. Widok trzyosiowego dżojstika i robota (a) oraz trzyosiowego czujnika siły (b)
Dżojstik zbudowany jest na bazie dwóch hamulców MR, z których jeden został już opisany
(rys. 2), a widok drugiego wraz z charakterystyką momentu hamującego, pokazany jest na
rys. 13.
a)
b) 2,5
2
[Nm]
MM
[Nm]
1,5
1
0,5
0
0
0,1
0,2
0,3
0,4
0,5
0,6
I [A]
I [A]
Rys. 13. Widok zewnętrzny hamulca (a) oraz wykres zależności momentu hamującego od
prądu (b)
Układ sterowania wykonany został w pakiecie Matlab/Simulink, a całość jest sterowana przy
pomocy komputera PC z kartą RT-DAC. Na rys. 14 przedstawione są przebiegi siły podczas
uderzenia kiści robota pod różnymi kątami w przeszkodę.
a)
b)
20
20
15
F [N]
F [N]
15
10
10
5
5
0
0
0
0,5
1
1,5
2
0
0,5
t [s]
c)
1,5
2
d)
25
30
20
25
15
F [N]
F [N]
1
t [s]
10
20
15
10
5
5
0
0
0
0,5
1
t [s]
1,5
2
0
0,5
1
1,5
2
t [s]
Rys. 14. Przebiegi siły przy uderzeniach: w osi X (a), w osi Y (b), w osi Z (c), podczas ruchu
złożonego w trzech osiach (d)
Przebiegi siły uzyskane z pomiarów nie są linią ciągłą, gdyż elektronika współpracująca z
tymi czujnikami miała wyjście PWM, a właściwy przebieg uzyskiwany był poprzez
zastosowanie odpowiednich filtrów.
Na rys. 15. pokazana jest zależność prądów hamulców magnetoreologicznych od sił
zmierzonych czujnikiem siły. Przebieg ten jest nieco opóźniony ze względu na czas
przetwarzania komputera.
a)
30
F [N]
25
20
15
10
5
0
0
0,5
1
1,5
2
1,5
2
t [s]
b)
0,5
I [A]
0,4
0,3
0,2
0,1
0
0
0,5
1
t [s]
Rys. 14. Przebieg siły dla trzech osi (a) oraz prądów trzech
hamulców magnetoreologicznych (b)
Zakończenie
Obecnie trwają dalsze prace badawcze nad doborem odpowiednich algorytmów sterowania
hamulcami MR oraz dopracowywane są konstrukcje dżojstików. W ramach projektu powstało
jeszcze kilka konstrukcji urządzeń dotykowych. Zaliczyć do nich należy dżojstik z
zaworowym modelem przepływu cieczy [8], układ sterowania liniowym napędem
elektrycznym przy pomocy dżojstika dotykowego [2], manipulator hydrauliczny sterowany
dwuosiowym dżojstikiem [6] i parę innych konstrukcji hamulców MR.
Przewidywane zastosowania dżojstików z siłowym sprzężeniem zwrotnym obejmują:
sterowanie napędami elektrycznymi i elektrohydraulicznymi maszyn, zastosowanie ich w tzw.
teleoperatorach, sterowanie elementami maszyn roboczych typu: dźwigi, koparki, spychacze,
glebogryzarki, pługi, rozdrabniacze, sterowanie chwytakami precyzyjnych elementów w skali
mikro albo makro (przenoszenie elementów szklanych, bardzo cienkich, powleczonych
jakimś materiałem), sterowanie pojazdach (np. układ kierowniczy, hamulcowy. Dodatkowym
elementem może być sterowanie takimi urządzeniami za pośrednictwem długiego przewodu
połączeniowego – bez kontaktu wzrokowego np. za pośrednictwem Internetu. Kolejną
dziedziną, w której mogą znaleźć zastosowanie zaprojektowane w ramach tej pracy dżojstiki
jest rzeczywistość wirtualna. Można je zastosować do współpracy z programami typu CAD
(kontakt fizyczny z tworzonymi elementami, łapanie brył, przenoszenie, próby montażu), do
kreślenia figur, w grach do kontaktu z obiektami, do tworzenia obrazów, rzeźb (w sztuce), a
także do obsługi symulatorów: robotów i manipulatorów, pojazdów, samolotów itp.
Konstrukcję hamulców MR można wykorzystać w budowie urządzeń rehabilitacyjnych,
ponieważ dzięki nim można wytworzyć różne siły oporu podczas ćwiczeń.
Więcej wiadomości dotyczących prezentowanej w artykule tematyki znajduje się na stronie
internetowej: http://www.haptic.pl.
Literatura
[1] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urządzeniach
dotykowych, Seminarium naukowo-techniczne - TECHNICON '05: targi nauki i techniki,
Gdańsk 2005.
[2] Bachman P.: Sterowanie napędem elektrycznym za pomocą dżojstika dotykowego z
cieczą magnetoreologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Poznań 2008.
[3] Chciuk M.: Sterowanie ramieniem robota za pomocą wieloosiowego dżojstika
dotykowego z cieczą magnetoreologiczną i siłowym sprzężeniem zwrotnym, Pomiary,
Automatyka, Robotyka, Warszawa 2008.
[4] Milecki A.: Wybrane metody poprawy właściwości liniowych serwo-napędów
elektrohydraulicznych. Politechnika Poznańska 1999.
[5] Milecki A.: Liniowe serwonapędy elektrohydrauliczne. Modelowa-nie i sterowanie.
Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 2003.
[6] Milecki, A., Myszkowski A., Chciuk M.: Applications of magnetorheological brakes in
manual control of lifting devices and manipulators, 11th International Conference on
Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden 2008.
[7] Milecki A., Ławniczak A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w
technice, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 1999.
[8] Myszkowski A.: Konstrukcja i badania hamulca wahadłowego z cieczą
magnetoreologiczną, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Poznań 2007.
[9] http://www.logitech.com
Pracę wykonano w ramach projektu badawczego KBN p.t.: "Konstrukcja i badania urządzeń
zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem
zwrotnym" nr 4 T07B 002 29