Witamy serdecznie na stronie poświęconej manipulatorom. Znajdą tu Państwo ofertę firmy WObit z zakresu manipulatorów przemysłowych MEGATRON.

Masz pytania? Odwiedź nasze forum internetowe

Bezstykowe manipulatory miniaturowe i przemysłowe

Manipulator ręczny (zwany z angielska 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 wejścia/wyjścia dla systemu komputerowego służącym do zadawania najczęściej w 2, 3 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 5mln wpisów kojarzonych głównie z manipulatorami robotycznymi. W tym znaczeniu manipulator kojarzy się z mechanicznym ramieniem i jest bliższe angielskiemu słowu "manipulator" oznaczającemu urządzenie do manipulowania obiektami bez dotykania go bezpośrednio ręką ludzką ( w języku niemieckim "Fernbedienungsgeraet"). W języku polskim dokładne tłumaczenie słowa "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 pod pojęciem manipulatora rozumieć będziemy urządzenie sterujące do ręcznego kontrolowania ruchu manipulowanych obiektów graficznych lub części maszyn.

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. załączeniu 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 mają najczęściej jako element czujnika 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.i. w wirtualnej rzeczywistości. Przyszłość gier wirtualnych stworzy tutaj niewyobrażalną mnogość manipulatorów wyposażonych w sensorykę a nawet sprzężenie zwrotne (drgania, nacisk, wywołanie bólu itd.).

Rys. 1 Budowa manipulatora 3-osiowego bezstykowego

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 rysunek 2.

Rys. 2 Kardanowe zawieszenie drążka sterowego manipulatora

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.

Przykładowe aplikacje

Rys. 3 Manipulator przenośny na kablu

Małe manipulatory chętnie stosowane są w przenośnych urządzeniach sterujących od sterowania modelami latającymi, robotami mobilnymi, poprzez studia audio-video, aparaturę laboratoryjną, do chwytaków urządzeń przemysłowych. Najmniejsze manipulatory potencjometryczne jak np. z serii 802 wręcz używane były w konsolach gier komputerowych. Dzięki masowemu wytwarzaniu osiągają bardzo niską cenę. Rys. 3 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.

Popularną aplikacją manipulatorów potencjometrycznych i bezstykowych (Rys. 4) 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.

Rys. 4 Sterowanie kamer

Producenci nowoczesnych maszyn rolniczych, wielofunkcyjnych pojazdów roboczych zmuszeni są obecnie używać zaawansowanych funkcjonalnie manipulatorów. Rys. 5 pokazuje przykład fotela maszyny roboczej wyposażonego w pulpity 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 obutą w rękawice rękę pracownika.

Rys. 5 Fotel z manipulatorami

Bezpośredni kontakt z producentem manipulatorów umożliwia wykreowanie specjalnego wyglądu manipulatora dostosowanego ergonomicznie i wymaganiami użytkownika do danej aplikacji. Rys. 6 ukazuje wnętrze samolotu amatorskiego, gdzie w kokpicie zastosowano specjalnie do tego celu skonstruowany manipulator.

Rys. 6 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. 

Autor: Witold Ober

P.P.H. WObit