Laatste nieuws:

, 27 juli 2020 13:35

Haptische apparatuur: toepassingen van BLDC servomotoren

In een steeds virtuelere wereld biedt de mogelijkheid om aanraking te simuleren verrassende voordelen. Wat dacht je van de mogelijkheid om bij het online shoppen de stof van een shirt te 'voelen'? Welkom in de wereld van de haptiek, waar robotica met geavanceerde feedback- en bedieningsmogelijkheden tactiele gebruikservaringen simuleert.

 Haptische apparaten gebruiken borstelloze DC-servomotoren en encoderfeedback om reële situaties te simuleren, bijvoorbeeld in de chirurgie. '
Haptische apparaten gebruiken borstelloze DC-servomotoren en encoderfeedback om reële situaties te simuleren, bijvoorbeeld in de chirurgie.
1/1

Zo maakt de fabrikant van haptische apparatuur Quanser Consulting vijf- en zesassige robots die zorgen voor scherpe, realistische sensaties. Hierbij maken ze gebruik van eigen hardware en software, samen met servomotoren en encoders met hoge koppels en bandbreedtes van Faulhaber.

Quanser begon ooit in de onderwijsmarkt, met producten als chirurgische simulatoren waarmee geneeskundestudenten kunnen ervaren hoe het is om incisies te maken zonder gebruik te hoeven maken van ter beschikking gestelde lichamen. "Je kunt de hele procedure simuleren en ze dezelfde sensaties laten voelen als wanneer ze het echte werk zouden doen," zegt Paul Karam, dynamics & control manager bij Quanser. "Je kunt ook meten hoe ze het doen: hoeveel kracht hebben ze uitgeoefend, hoeveel hebben ze gesneden, enzovoort?"

Naast toepassingsspecifieke producten voor OEM-klanten bouwt Quanser algemene haptische apparaten voor onderzoek. Hun meest recente ontwerp is de High Definition Haptic Device (HD2), een parallel mechanisme met zes vrijheidsgraden (x, y, z, roll, pitch, yaw). De wrijvingsarme, mechanisch gebalanceerde robot, die bestaat uit twee aan elkaar gekoppelde vijfarmige koppelingen, biedt een hoge resolutie in een grote werkruimte. De HD2 biedt ±90° rotatie voor roll en pitch en ±180° voor yaw.

Op het gevoel ontwerpen

"Wat je ook probeert te simuleren - of het nou op hout kloppen of hersenchirurgie is - de haptiek ervan moet helder en soepel aanvoelen," zegt Karam. "Het mechanisme moet echt het gevoel van opereren kunnen geven, anders heeft het geen zin."

Een ideaal haptisch apparaat kent een lage wrijving en lage massatraagheid en genereert tegelijkertijd kracht met een hoog dynamisch bereik. En dat binnen een groot werkbereik. Om dit te bereiken ziet Quanser het ontwerp in termen van mechatronica, waarbij voor de prototyping uitgebreid wordt gemodelleerd en getest om de beste aanpak te bepalen. Zo heeft het ingenieursteam bijvoorbeeld, om het reactievermogen in de HD2 te maximaliseren, de motoren in de behuizing geplaatst in plaats van op de actuatorarm zelf.

Voor de prestaties zijn de lineaire stroomversterkers cruciaal. "Je krijgt heel soepele krachten die je zelfs rond de nul werkelijk voelt," zegt Karam. "Dat lukt je niet met een PWM (pulse-width modulated)-versterker." Het design team werkt ook liever niet met standaard motion controllers. Het genereren van de sensatie van het aanraken van een hard oppervlak of interactie met de omgeving vereist krachten over een zeer hoge bandbreedte met een verwaarloosbare latentie. De vertragingen die je bij een standaard motion controller ziet, zijn onaanvaardbaar. In plaats daarvan heeft het ingenieursteam gebruik gemaakt van de achtpoortige data acquisition boards van Quanser, en van de eigen besturingssoftware QuaRC. Het resultaat is een PC-gebaseerde controller die werkt bij 1 tot 10 kHz, en tegelijkertijd de encoders uitleest, de kinematica van het apparaat berekent en koppels genereert op al de zes motoren.

Bij het mechatronisch ontwerp wordt onder andere gekozen voor een systeemgerichte benadering, in plaats van het willekeurig kiezen van componenten. "En daar komt onze samenwerking met Faulhaber in beeld," zegt Karam. "Door hun high-end motoren te gebruiken met onze lineaire versterkers krijgen we motoren die een hoog uitgangskoppel kunnen genereren, maar tegelijkertijd een zeer lage wrijving en stictie, en een als zeer laag ervaren traagheid. De koppeling van onze technologieën met die van Faulhaber heeft onze haptische apparaten toonaangevend gemaakt".

Een balans vinden

Het doel van het team was om te standaardiseren rond één of twee motoren voor een maximale efficiëntie bij het ontwikkelen. Ze hadden een hoog koppel nodig, maar een hoger koppel impliceert meestal een grotere motor met een hogere massatraagheid, wrijving en gewicht. Het Quanser team werkte samen met de Faulhaber engineers aan een gespecialiseerde unit die precies voldeed aan hun behoeften. "De wikkelingen op deze motor waren anders, zodat hij een zeer hoog uitgangskoppel produceerde. Het toerental ligt niet echt hoog, maar haptische apparatuur heeft daar zelden behoefte aan. De belangrijkste criteria voor het kiezen van een motor zijn het koppel en de back drivability: de mogelijkheid voor de gebruiker om wrijving te overwinnen en het haptische apparaat te manipuleren." De Faulhaber motor bood beide - daarom is deze niet-zo-standaard motor Quanser's favoriete oplossing geworden.

Faulhaber rust zijn motoren uit met hoge-resolutie optische encoders voor de precieze feedback die nodig is om een geloofwaardige tactiele ervaring te geven. In sommige toepassingen worden tandwielkasten geïntegreerd, maar niet altijd. Het probleem is dat tandwielkasten last kunnen hebben van speling, waardoor er een onaanvaardbare vertraging optreedt in de aanraakreactie van het apparaat. Daarom gebruikt Quanser capstans in plaats van tandwielkasten. Een capstan bestaat uit twee trommels met daartussen een voorgespannen kabel - enigszins vergelijkbaar met een videocassette. De relatieve diameter van de ene trommel ten opzichte van de andere geeft de reductieverhouding. Een typische motor/capstan-opzet kan reductieverhoudingen tot 30:1 halen.

Om echt te werken, moeten haptische apparaten natuurlijk een consistente ervaring bieden. Dit betekent dat de motoren herhaalbaarheid moeten bieden. Ook daar voldeed Faulhaber aan. "De kracht die ik opwek is uitsluitend gebaseerd op wat volgens mij de nominale koppelconstante van de motor is," zegt Karam. "Ik heb geen kwantitatieve manier om dat echt te meten van systeem tot systeem, maar we hebben veel variaties gemaakt van hetzelfde apparaat en ik zie geen verschil als ik het volg."

bron: Faulhaber

Reacties

Er zijn nog geen reacties op dit artikel.

Hier kunt u een reactie plaatsen bij het bericht .
Uw e-mailadres zal niet op de website worden getoond.
Uw naam *
Uw E-mail *
Uw bericht *
 

Van onze partners meer (3)...

Rollon Lineairtechniek BV

DIS Sensors

Rotero Holland bv

ab op Twitter

TwitterlogoVolg ab nu ook op Twitter!

Onze accountnaam is: @aenb

Agenda meer (1)

8 juni 2021 -
Engineering Event Safety

Geen nieuws meer missen?

Meldt u dan direct aan voor de gratis ab nieuwsbrief.

 

Knop nieuwsbriefMet de gratis ab nieuwsbrief wordt u wekelijks op de hoogte gehouden over het aandrijven en besturen nieuws. U ontvangt wekelijks het laatste nieuws en elke maand een themanieuwsbrief.

 

Direct aanmelden