Голубин C

Голубин C. А., к. т. н Ломанов А. Н., к. т. н Никитин В. С.

Рыбинский государственный авиационный технический университет им. П. А. Соловьева, ООО «НПП «Тензосенсор»

Новые оптические министики для управления робототехническими комплексами и летательными аппаратами

Современные робототехнические комплексы, сложные манипуляторы, летательные аппараты становятся все более сложными и многофункциональными, что требует большего количество управляющих элементов. Традиционные коммутационные изделия – тумблеры, переключатели, ползунковые и вращательные регуляторы, джойстики – обладают большими размерами, а их функциональность обычно жестко заложена и не может изменяться в реальном времени, это приводит к загромождению операторских панелей и усложнению управления.

Одним из способов решения проблемы управления является применение министиков. Министик представляет собой двухкоординатный микроджойстик размерами 20-25 мм, который управляется не рукой, а пальцами руки. Движение пальцев в 5-7 раз быстрее движения кисти руки, что позволяет намного быстрее и точнее формировать управляющие воздействия. Малые размеры позволяют компактно размещать несколько министиков на одной ручке управления или приборной панели, что позволяет управлять объектами с большим количеством степеней свободы.

Большинство применяемых министиков построены на резистивном принципе: отклонение ручки министика вызывает изменение сопротивления чувствительных элементов. В качестве чувствительных элементов используются переменные резисторы либо резистивные полосы. Такие министики сложны в производстве, содержат много деталей (свыше 10) и имеют невысокий ресурс (менее 500 тыс. нажатий). Характеристики министиков в процессе эксплуатации заметно изменяются из-за истирания резистивного слоя.

В ООО «НПП «Тензосенсор» был разработан резистивный министик МД-14 на основе полимерного упругодеформируемого элемента с резистивным покрытием. Данный министик имеет малое количество деталей, однако ресурс данного министика недостаточно высок (200-300 тысяч нажатий).

Существует также министик EasyPoint EP40-101 компании Austria Microsystems, действие которого основано на использовании эффекта Холла. Министик имеет высокую линейность характеристики и ресурс в 1 млн. отклонений в каждом направлении. Однако данный министик имеет малый ход ручки, чувствителен к магнитным полям, что также не позволяет размещать рядом несколько таких министиков, а высокая цена затрудняет массовое применение данных устройств.

Для создания эффективных, надежных и недорогих министиков в ООО «НПП «Тензосенсор» совместно с РГАТУ им. П. А. Соловьева была разработана конструкция оптического министика на основе упругодеформируемого полимерного элемента.

Конструкция оптического министика приведена на рисунке 1.

а)

б)

$D:\Desktop\Безымянный.png$

Рисунок 1 – Конструкция оптического министика: а) схема с общим излучателем, б) схема с общим приемником;

1 – печатная плата; 2 – корпус; 3 – управляющая рукоятка; 4 – упругодеформируемый элемент, 5 – светоотражающая поверхность, 6 – фотоэлектрический преобразователь; 7 – источник света.

На рисунке 1 показана конструкция оптического министика, который состоит из размещенного на плате 1 корпуса 2 и упругодеформируемого элемента 4, выполненного за одно целое с управляющей рукояткой 3. На плате 1 под упругодеформируемым элементом 4 расположены приемники света (фотодиоды, фоторезисторы) 6 и источники света (светодиоды, лазеры) 7, которые соединены с микропроцессором. Упругодеформируемый элемент 4 в виде детали из эластичного полимерного материала, содержит светоотражающую или светопоглощающую поверхность 5, расположенную над источником света 6 и фотоэлектрическими преобразователями 7. Упругодеформируемый элемент выполнен из эластичного материала в виде пластины с управляющей рукояткой 3 опирающейся на элементы корпуса 2 оптического министика, прикрепленного к плате 1.

Разработаны две оптические схемы министиков:

1) Схема с общим излучателем. Министик, построенный по этой схеме, содержит один излучатель (светодиод, лазер) в центре платы, и не менее одного фотоприемника (фотодиода, фоторезистора) по краям платы. Схема представлена на рисунке 2а.

2) Схема с общим приемником. Министик, построенный по этой схеме, содержит один фотоприемник (фотодиод, фоторезистор) в центре платы, и не менее одного излучателя (светодиода, лазера) по краям платы. Схема представлена на рисунке 2б.

Принцип работы оптического министика заключается в эффекте отражения световой волны от светоотражающей поверхности полимерного упругодеформируемого элемента (УДЭ), который деформируется рукояткой в зависимости от направления нажатия и, таким образом, модулирует распределение светового потока от источника света к приемникам света.

По сравнению с существующими разработанный министик имеет следующие преимущества: простота конструкции, технологичность в массовом производстве, высокая надежность вследствие отсутствия трущихся частей, низкая цена (менее 1$), бесшумность, пожаро- и взрывобезопасность, травмобезопасность, малый вес, многофункциональность (возможность перепрограммирования).

Для исследования характеристик оптических министиков была разработана математическая модель министика. Модель основывается на следующих допущениях:

1) рукоятка министика не деформируется и жестко соединена со светоотражающей поверхностью;

2) светоотражающая поверхность качается на мнимой оси так, что луч света перемещается от одного фотоприемника к другому;

3) источник света точечный;

4) интенсивность освещенности светового пятна, которое образуется отраженным от светоотражающей поверхности светом, распределена по нормальному закону;

5) центр светового пятна совпадает с точкой падения отраженного луча.

Распределение освещенности светового пятна по нормальному закону в двумерном случае описывается формулой

(1)

где x, y – координаты точки;

µ_x, µ_y – математическое ожидание, соответствующее координатам центра светового пятна;

σ_x, σ_y – дисперсия светового пятна, определяемая углом рассеивания излучателя и отражением от светоотражающей поверхности.

Схема перемещения отраженного луча представлена на рисунке 2.

Рисунок 2 – Схема отражения света

Координаты центра светового пятна вычисляются по формулам:

.	(2)
.	(2’)

где h_k – расстояние между светоотражающей поверхностью и излучателем;

Δh_k – высота излучателя;

HX, HY, HZ – отклонение рукоятки министика по осям X, Y и Z.

Освещенность фотодиода рассчитывается по формуле

(3)

Применяемые в министиках фотоприемники (фотодиоды PD15-21b) обладают линейной зависимостью выходного сигнала (тока) от освещенности. Следовательно, выходной сигнал фотоприемника будет линейно зависеть от освещенности фотоприемника с некоторым коэффициентом пропорциональности, который зависит от параметров электрической схемы и аналого-цифрового преобразования. При теоретическом моделировании было принято, что коэффициент единичный.

Исследуемые министики были построены по схеме с четырьмя фотоприемниками, расположенными вокруг излучателя на равном расстоянии. Для данного случая результирующий выходной сигнал министика рассчитывался по формулам (4) и (5).

	(4)
	(5)

Схема министика с общим излучателем и четырьмя фотоприемниками приведена на рисунке 4.

Рисунок 3 – Схема оптического министика с общим излучателем и 4 фотоприемниками

Реальный министик имеет деформируемые рукоятку и светоотражающую поверхность. Деформация вносит в выходной сигнал изменения экспоненциального характера. Связь с сигналом, рассчитываемым по модели с жесткой ручкой, в общем случае описывается формулой

(6)

Где E_деф – сигнал министика с деформируемой ручкой,

Е_мод – расчетный сигнал министика с жесткой ручкой.

Для отрицательного отклонения рукоятки министика зависимость примет вид

(7)

для положительного отклонения

(8)

где k – коэффициент экспоненциальности,

M – масштаб.

Для исследования зависимости выходного сигнала министика от отклонения рукоятки была разработана экспериментальная установка, блок-схема которой представлена на рисунке 5.

Рисунок 4 – Блок-схема экспериментальной установки

Экспериментальная установка состоит из следующих элементов: механизм перемещения по оси X, механизм перемещения по оси Y, механизм поворота, цифровая камера, блок сопряжения министика с ПК, персональный компьютер с программным обеспечением для снятия показаний министика.

Министик закреплен в центре поворотной платформы, позволяющей вращать министик относительно его центра. Управляющая рукоятка министика свободным концом закреплена в держателе. Платформа снабжена механизмами перемещения по осям X и Y, позволяющими отклонять рукоятку министика от центра.

Установка позволяет задавать отклонение рукоятки министика в двух координатах двумя способами:

1) перемещением основания министика по осям X и Y при зафиксированной рукоятке;

2) перемещением основания министика по оси X и поворотом его основания вокруг центра при зафиксированной рукоятке. При этом перемещение министика при угле поворота 0° соответствует отклонению рукоятки по оси X, а при угле поворота 90° – отклонению рукоятки по оси Y.

При экспериментальном исследовании использовался второй способ, так как измерение отклонения рукоятки было возможно измерить только по оси X.

Отклонение рукоятки министика по оси X измеряется с помощью видеокамеры (цифрового микроскопа) Dino-Lite AD413TL-MA1, передающей изображение на ПК, и программы DinoCapture v2.0. При перемещении министика по оси X камера перемещается вместе с ним. Измерение отклонения рукоятки министика производится визуально при помощи экранной линейки. Программа представлена на рисунке 5.

dino screen

Рисунок 5 – Вид министика в различных положениях (изображение получено с помощью видеокамеры Dino-Lite и программы DinoCapture)

Фотографии экспериментальной установки представлены на рисунке 6.

Рисунок 6 – Фотографии экспериментальной установки: 1 – держатель рукоятки министика, 2 – министик, 3 – поворотная платформа, 4 – механизм поворота, 5 – механизм перемещения по оси X, 6 – механизм перемещения по оси Y, 7 – цифровая видеокамера, 8 – блок сопряжения министика с ПК

Программы регистрации позволяют производить регистрацию показаний по нажатию кнопки пользователем, регистрация производится однократно или многократно (до 10 замеров) с настраиваемым интервалом от 0,1 секунды до 10 секунд. Полученные показания отображаются в табличном виде и могут быть экспортированы для дальнейшей обработки в Microsoft Excel с сохранением разбивки по строкам и столбцам.

Целью эксперимента является определение зависимости показаний полезного сигнала министика от величины отклонения рукоятки министика и от угла поворота. Исследовались два типа министиков:

1) министик с общим излучателем и 4 фотоприемниками;

2) министик с общим приемником и 4 излучателями.

В ходе эксперимента также было установлено, насколько зависимость полезного сигнала исследуемого министика соответствует теоретическим представлениям, полученным на основе математического моделирования (для министиков с общим приемником).

Качество полезного сигнала реального министика оценивается по показателям:

- точность – разброс показаний при определенном отклонении рукоятки;

- нелинейность – отклонение кривой передаточной функции исследуемого министика от прямой линии;

- гистерезис – различие выходного сигнала при одинаковом значении отклонения рукоятки, но разных направлениях его изменения.

Для оценки точности показаний применяется значение среднеквадратического отклонения (СКО) измеренных при итерациях показаний в точке с заданным отклонением рукоятки. Относительное значение δ вычислялось по формуле

δ =|СКО/ ΔX |,

(9)

где ΔX – амплитуда значений передаточной функции.

Для оценки нелинейности при помощи метода наименьших квадратов (функция ЛИНЕЙН() пакета MS Excel) строится аппроксимирующая функция прямой линии вида X=kx+b. Далее нелинейность N_L вычисляется по формуле

N_L =|X–X_расч|/ΔX,

(10)

где Х – фактическое значение координаты в данной точке;

Х_расч – вычисленное при помощи аппроксимирующей функции;

ΔX – амплитуда значений передаточной функции.

Гистерезис G показаний оценивается по формуле:

G=|X_пр-X_л|/ ΔX,

(11)

где X_пр – значение параметра в данной точке при перемещении рукоятки вправо;

X_л – при перемещении влево;

ΔX – амплитуда значений.

В ходе эксперимента были произведены следующие замеры показаний X и Y министика:

- измерение показаний при постоянном угле поворота министика и изменяемом отклонении рукоятки;

- измерение показаний при постоянном отклонении рукоятки министика и изменяемом угле поворота.

Измерение показаний при постоянном угле поворота министика и изменяемом отклонении рукоятки было проведено в следующих условиях:

- пределы отклонения рукоятки министика от центра: –5..+5 мм;

- направление отклонения: влево (от +5 мм до –5 мм), вправо (от –5 мм до +5 мм);

- угол поворота министика: 0°, 45°, 90°;

- число итераций замера показаний: 5, с последующим усреднением полученных значений.

Измерение показаний при постоянном отклонении рукоятки министика и изменяемом угле поворота было проведено в следующих условиях:

- угол поворота министика: 0°..360° с шагом 30°;

- направление вращения: по часовой стрелке (0°..360°), против часовой стрелки (360°..0°);

- отклонение рукоятки министика от центра: 1,5 мм; 3 мм; 4,5 мм;

- число итераций замера показаний: 5, с последующим усреднением полученных значений.

Результаты измерений при постоянном угле поворота министика и изменяемом отклонении рукоятки для министика с общим излучателем представлены на рисунке 7, результаты для министика с общим приемником – на рисунке 8.

Рисунок 7 – Результаты измерений для министика с общим излучателем

(координаты Х и Y)

Рисунок 8 – Результаты измерений для министика с общим приемником

(координаты Х и Y)

Результаты расчетов качества сигнала представлены в таблицах 1 и 2.

Таблица 1 – Параметры качества сигнала министика с общим излучателем

Показатель	Угол 0°, координата X	Угол 90°, координата Y	Угол 45°, координата X	Угол 45°, координата Y
Диапазон значений	1188	965	1069	791
Макс. отклонение	2,13%	5,27%	13,78%	3,36%
Макс. нелинейность	15,31%	15,13%	17,10%	16,37%
Макс. гистерезис	7,71%	8,96%	7,32%	10,50%

Таблица 2 – Параметры качества сигнала министика с общим приемником

Показатель	Угол 0°, координата X	Угол 90°, координата Y	Угол 45°, координата X	Угол 45°, координата Y
Диапазон значений	494	460	384	378
Макс. отклонение	6,80%	10,10%	2,44%	2,08%
Макс. нелинейность	9,52%	10,66%	9,64%	10,51%
Макс. гистерезис	3,90%	3,65%	5,96%	5,84%

Результаты измерений при изменяемом угле поворота и постоянном отклонении рукоятки для министика с общим излучателем на рисунке представлены в виде лепестковой диаграммы: для министика с общим излучателем на рисунке 9.

По результатам измерений была построена трехмерная поверхностная диаграмма зависимости показаний X и Y от угла и величины отклонения рукоятки, отображенная на рисунке 10.

Для министика с общим излучателем было проведено математическое моделирование в специально разработаной программе. Для удобства сопоставления экспериментальные кривые были сдвинуты так, чтобы они проходили через начало координат. Результаты, полученные на основании моделирования по модели с жесткой накладкой, были преобразованы по формулам (7) и (8) и приведены к общему с экспериментальными данными масштабу. Результаты представлены на рисунке 11.

Рисунок 9 – Лепестковая диаграмма для министика с общим излучателем

Graph100d

Рисунок 10 – Трехмерная поверхностная диаграмма зависимости показаний министика от отклонения рукоятки для министика с общим излучателем

Рисунок 11 – Сопоставление теоретических и экспериментальных показаний министика для угла поворота министика 0° (координата Х)

На основании полученных экспериментальных данных можно сделать следующие выводы:

1) Выбранные оптические схемы министиков на основе упругодеформируемого элемента позволяют создавать работоспособные и высокоэффективные устройства.

2) Максимальный диапазон отклонения рукоятки министика составляет +/-5,0 мм, что укладывается в оптимальный диапазон амплитуд отклонения пальцев руки порядка 12-20 мм.

3) Передаточная функция исследованного оптического министика, построенного по схеме с общим приемником, линейна и симметрична в диапазоне отклонения рукоятки в пределах –3..+3 мм; функция оптического министика с общим излучателем линейна и симметрична в диапазоне отклонения рукоятки в пределах –1..+1 мм. При больших отклонениях кривые показаний приобретают экспоненциальную форму.

4) Мертвая зона министика не превышает 0,5 мм по всем координатам.

5) Максимальная величина гистерезиса составляет 5,96% диапазона значений передаточной функции для схемы с общим приемником и 8,96% для схемы с общим излучателем. Максимальный гистерезис наблюдается при угле поворота министика 45°.

6) Графики на рисунке 11 показывают высокую степень соответствия теоретических и экспериментальных данных. Расхождение между данными по оси Y при отрицательном отклонении рукоятки были вызваны обнаруженными после эксперимента погрешностями монтажа фотоприемника. Следовательно, разработанная математическая модель министика с общим излучателем адекватно описывает зависимость выходного сигнала министика от его конструктивных параметров и отклонения управляющей рукоятки.

Таким образом, передаточная функция оптического министика соответствует требованиям, предъявляемым к средствам управления сложной робототехникой, манипуляторами и летательными аппаратами.

Схема министика с общим приемником показывает лучшие результаты по качеству сигнала, чем схема с общим излучателем.

Конструкция министика требует доработки с целью повышения точности, снижения нелинейности и гистерезиса показаний.

Прикладные научные исследования и экспериментальные разработки проведены при финансовой поддержке государства в лице Минобрнауки России. Уникальный идентификатор прикладных научных исследований и экспериментальных разработок RFMEFI57914X0087.