Construction and research of control devices with magnetorheological fluids and force feedback summary of research project

Transkrypt

1 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.. 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. ), są np. dżojstiki (Force 3D Pro) i kierownice (MOMO Racing Force Feedback Wheel) oraz bardziej skomplikowane urządzenia przeznaczone dla zastosowań przemysłowych, medycznych lub

2 naukowych np. roboty chirurgiczne []. Do wywierania oporu ruchu w urządzeniach tego typu stosowane są najczęściej różnego rodzaju silniczki lub elektromagnesy. a) b) c) Rys.. Urządzenia dotykowe firmy Logitech: joystick (a), kierownica (b), pedały (c) [9] Zagadnienia te były rozpatrywane w ramach projektu KBN nr 4 T7B 9. 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.. 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. a, a wykres zależności momentu obrotowego od prądu płynącego przez cewki hamulca MR na rys. b. Badania momentu hamującego wykonano na stanowisku wyposażonym w momentomierz dynamiczny firmy Magneton Elektronik (typ DFM. S +/- Nm). Pomiary wykonywane były przy pomocy komputera PC z kartą DaqBoard 3.

3 M [Nm] a) b) 3, 3,,,,,,,,,3 Rys.. 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. I [A] a) F j b) Czujnik siły Hamulec MR Potencjometr Fj F [N] ,,,3,4 Rys. 3. Widok dżojstika wahadłowego (a) oraz charakterystyka siły hamującej dżojstika w zależności od prądu hamulca (b), (F j siła dżojstika, I prąd hamulca MR) Po przebadaniu dżojstika w pierwszej kolejności wykonano układ sterowania komputerowym modelem napędu elektrohydraulicznego. Model jest opisany transmitancją: y( s) ks s G( s) x( s) s( s s ss s ) () gdzie: k s współczynnik wzmocnienia, ω s częstotliwość drgań własnych, ζ s współczynnik tłumienia. Parametry wymienionych transmitancji można określić na podstawie danych zawartych w katalogach, a przytaczane one były też w publikacjach [4, ]. Podczas symulacji, dla przesuwanej masy m= kg, transmitancja zaworu wynosiła: G( s) s 3s, () a siłownika: G( s) 3 s 8s 98s. (3) I I [A]

4 F [N] Schemat modelu napędu elektrohydraulicznego wykonany w programie Simulink pokazany jest na rys. 4. In Piston s force F p PID s s s In PID Integrator4 Integrator Integrator Integrator Integrator3 Out Controller Joystick s position α j 3 8 s s Piston s position y p 98 Valve model Piston model 4 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 (F j ) dla różnych współczynników twardości ściskanego przedmiotu. Wyniki pomiarów pokazane są na rys. a, a widok siłownika i ściskanej kuli w wirtualnej rzeczywistości pokazano na rys. b. a) b) Fj [N] 3 4 k=3 k=, k= k=, k= k=, k= Rys.. Charakterystyka F j =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.

5 Analog Input Analog Input4 Advantech PCI-76 [auto] Analog Input Analog Input Advantech PCI-76 [auto] Analog Input Analog Input Advantech PCI-76 [auto] silownik dzojstik czujnik sily silownik Kd - KHMR KP karta zaworu hydraulicznego Analog Output Analog Output Advantech PCI-76 [auto] cewki hamulca MR Analog Output Analog Output Advantech PCI-76 [auto] a) b) y p [mm] F p [kn] 3 4 x α j [ ] F j [N] Rys. 6. Charakterystyki uzyskane w wyniku badań symulacyjnych zderzenie (a) oraz widok wirtualnego modelu siłownika i przeszkody zderzenie (b) (F p siła siłownika, F j siła dżojstika, y p pozycja siłownika, α j 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 76 i programem Matlab/Simulink. Do pomiarów wykorzystano drugi komputer z kartą DaqBoard 3 i programem DasyLab. Schemat blokowy tego układu pokazano na rysunku 7. Zawór Siłownik Czujnik siły Liniowy hamulec MR Sterowanie obciążeniem F s y s Sterowanie zaworu Położenie siłownika Siła siłownika PC PC Pomiar Matlab Simulink DasyLab y s F s DaqBoard 3 PCI 76 F s y s α j F j Siła dżojstika Pozycja dżojstika Prąd HMR Stopień mocy OPA49 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. α j

6 a) b) Siłownik hydrauliczny Czujnik siły PC PC Indukcyjny pomiar położenia F s [kn] Dżojstik x Liniowy hamulec MR a) 6 4 b) α j [ ] F j [N] α j [ ] y s [mm] F j [N] F s [kn] y s [mm] 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) (F s siła siłownika, F j siła dżojstika, y s położenie siłownika, α j 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 F j równa była sile oporów własnych dżojstika. Na tym wykresie widać, że dżojstik zatrzymał się dopiero w chwili oznaczonej literą y, czyli około, 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 6mm, 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) c) x y Rys. 9. Widok dżojstika liniowego (a) i hamulca MR (b)

7 M [Nm] M [Nm] Zależność momentu hamującego od prądu płynącego przez cewkę hamulca pokazane są na rys. a, a wykresy momentu hamującego w czasie dla różnych wartości prądów płynących przez cewki hamulca MR na rys. b. a) b),6,4,,8,6,4,,,,3,4 I [A],4,,8,6,4,,3 A A Rys.. 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. 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) x,, y s [mm] y j [cm] F j [N] F s [kn],36 A,3 A,6 A,3, A,6 A,3 A, A,6 A α j [ ] F s [kn] y s [mm] F j [N] Rys.. Przebiegi czasowe siły i położenia siłownika i dżojstika przy włączonym siłowym sprzężeniu zwrotnym (F s siła siłownika, F j siła dżojstika, y s położenie siłownika, α j położenie dżojstika) Ostatnią opisaną konstrukcją będzie trzyosiowy dżojstik dotykowy [3], który jest wykorzystywany do sterowania robota (rys. a). Na kiści robota umieszczono trzyosiowy czujnik siły (rys. b). Y X Z Rys.. Widok trzyosiowego dżojstika i robota (a) oraz trzyosiowego czujnika siły (b)

8 F [N] F [N] F [N] F [N] M [Nm] M [Nm] Dżojstik zbudowany jest na bazie dwóch hamulców MR, z których jeden został już opisany (rys. ), a widok drugiego wraz z charakterystyką momentu hamującego, pokazany jest na rys. 3. a) b),,,,,,3,4,,6 Rys. 3. 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. 4 przedstawione są przebiegi siły podczas uderzenia kiści robota pod różnymi kątami w przeszkodę. I [A] I a) b),, c) d),,,, 3,, Rys. 4. 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.. pokazana jest zależność prądów hamulców magnetoreologicznych od sił zmierzonych czujnikiem siły. Przebieg ten jest nieco opóźniony ze względu na czas przetwarzania komputera.

9 I [A] F [N] a) b) 3,,,,4,3,,,, Rys. 4. 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 [], 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: Literatura [] Bachman P., Chciuk M.: Zastosowanie cieczy magnetoreologicznych w urządzeniach dotykowych, Seminarium naukowo-techniczne - TECHNICON ': targi nauki i techniki, Gdańsk.

10 [] Bachman P.: Sterowanie napędem elektrycznym za pomocą dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną, Zeszyty Naukowe Politechniki Poznańskiej, Poznań 8. [3] Chciuk M.: Sterowanie ramieniem robota za pomocą wieloosiowego dżojstika dotykowego z cieczą magnetoreologiczną i siłowym sprzężeniem zwrotnym, Pomiary, Automatyka, Robotyka, Warszawa 8. [4] Milecki A.: Wybrane metody poprawy właściwości liniowych serwo-napędów elektrohydraulicznych. Politechnika Poznańska 999. [] Milecki A.: Liniowe serwonapędy elektrohydrauliczne. Modelowa-nie i sterowanie. Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, 3. [6] Milecki, A., Myszkowski A., Chciuk M.: Applications of magnetorheological brakes in manual control of lifting devices and manipulators, th International Conference on Electrorheological Fluids and Magnetorheological Suspensions, Dresden 8. [7] Milecki A., Ławniczak A., Ciecze elektro- i magnetoreologiczne oraz ich zastosowania w technice, Wydawnictwo Politechniki Poznańskiej, Poznań 999. [8] Myszkowski A.: Konstrukcja i badania hamulca wahadłowego z cieczą magnetoreologiczną, Archiwum Technologii Maszyn i Automatyzacji, Poznań 7. [9] 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 T7B 9