ZATOOWAIE CIECZY MAGETOREOLOGICZYCH W URZĄDZEIACH DOTYKOWYCH mgr Paweł Bachman, mgr Marcin Chciuk Uniwersytet Zielonogórski, Wydział Mechaniczny ul. prof. zafrana 4 65-516 Zielona Góra tel. (068) 328 78 42 P.Bachman@eti.uz.zgora.pl, M.Chciuk@eti.uz.zgora.pl 1. WTĘP 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. ajczęściej 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 ITIEJĄCYCH 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 tacja 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. ymulatory medyczne produkowane przez firmę Immersion do ćwiczenia: a) laparoskopii, b) histeroskopii, c) endoskopii [7]
Kolejnym producentem urządzeń dotykowych jest firma ensable [9]. Ma ona w swojej ofercie dwa urządzenia dotykowe. Pierwszym z nich jest urządzenie o nazwie ensable Phantom Desktop (rys. 4a). Dzięki niemu użytkownicy mogą dotykać wirtualnych przedmiotów, czuć ich fakturę, twardość, wagę itp. Drugie urządzenie to HapticMATER (rys. 4b), opracowane wspólnie z firmą FC Robotics, czołowym producentem różnego rodzaju symulatorów. Jest to ramię mające trzy stopnie swobody, które ma możliwość przekazywania użytkownikowi siły do 250. 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 ensable: a) ensable Phantom Desktop, b) HapticMATER [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 aitek. W ramach projektu badawczego Unii Europejskiej GRAB przez badaczy z Hiszpanii, Irlandii, iemiec, 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 MAGETOREOLOGICZYCH 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. zczególną 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) 3 1 2 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/cm 3, 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.
iła () 2000 1500 1000 500 1A 0.5A -0.2 0A -0.1 0-500 0.1 0A 0.2 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. ZATOOWAIE W URZĄDZEIU 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.). chemat opisanego urządzenia przedstawia rys. 8. ± 30 4 3 6 2 5 1 Rys. 8. chemat 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.
ilnik 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. chemat współpracy urządzenia dotykowego z pozostałymi elementami systemu przedstawia rys. 9. 1 3 B 2 5 5 C A 4 E D 5 F Rys. 9. chemat 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 1000 (rys. 7). Biorąc pod uwagę dźwignię, jaką tworzy ramię jojstick a, siła z jaką można będzie hamować w miejscu uchwytu będzie wynosiła około 300. 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 50* maksymalne ciśnienie w tłoku z cieczą MR wyniesie około 0,35MPa. 5. ZAKOŃCZEIE 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 [1] Baillie., Brewster., Hall C., O'Donnell J. Motion pace Reduction in a Haptic Model of Violin and Viola Bowing, First Joint Euro Haptic Conference and ymposium on Haptic Interface for Virtual Environmant and Teleoperator ystem, Pisa 2005. [2] MacLean, K. E. Designing with Haptic Feedback, in Proceedings of IEEE Robotics and Automation (ICRA'2000), an 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 Pracę wykonano w ramach projektu badawczego KB p.t.: "Konstrukcja i badania urządzeń zadających i dotykowych z cieczami magnetoreologicznymi i z siłowym sprzężeniem zwrotnym"