O+P Fluidtechnik 10/2021

BEDIENSYSTEME

BEDIENSYSTEME FEINFÜHLIGE RÜCKMELDUNG MOBILE MASCHINEN Bei der Realisierung eines Force Feedback- Systems gilt es, hohen Anforderungen an die Haptik – sprich an die Wahrnehmung der zu steuernden Kraft am Bedienelement zu entsprechen. Gleichzeitig sollen trotz aufwändigster Aktorik und Sensorik die Herstellungs- und Teilekosten möglichst gering sein. Ein Dilemma. Doch durch die richtige Komponentenauswahl und Implementierung spezieller Ansteuerungs-Algorithmen kann der Balance-Akt gelingen. Autor: Jörg Klenke, Systemtechnik Leber GmbH Es gibt kaum einen sensibleren Sensor als die menschliche Hand. Für ein maximal angenehmes und „echtes“ haptisches Erlebnis müssen bei der Entwicklung von Simulatoren und vor allem Force Feedback-Lenkrädern eine Vielzahl an spezifischen Faktoren in der Wirkkette zwischen menschlicher Hand und dem (simulierten) Prozess beachtet werden. Neben den rein mechanischen Aspekten sind die Elektronik und die Software für die Regelung des Force Feedback-Aktor und dessen Motors von elementarer Bedeutung. Egal ob eine Konsole, ein reeller Greifarm, der Steuerknüppel einer Land- bzw. Baumaschine oder ein in einer Oberfläche unsichtbar integrierter Schalter entwickelt werden soll: die Force Feedback-Konzepte sind ähnlich oder zumindest sehr vergleichbar. Um ein möglichst angenehmes haptisches Gefühl für den Anwender zu generieren ist neben der korrekten Komponentenauswahl- und -auslegung ein komplexer und leistungsfähiger Algorithmus zur Eliminierung der Motorrastmomente notwendig. WIE FORCE FEEDBACK GRÖSSERE KRÄFTE PRÄZISE STEUERT Der Begriff des Force Feedbacks umschreibt in diesem Kontext im Wesentlichen eine Kraftrückkopplung (Haptisches Feedback) eines Bediengerätes an den Anwender – einer sogenannten Control-by-Wire-Anwendung. Das wohl bekannteste Beispiel hierfür 48 O+P Fluidtechnik 2021/10 www.oup-fluidtechnik.de

BEDIENSYSTEME Feedback-Systeme in ihrer technischen Umsetzung sehr stark durch Themen aus dem Bereich der Antriebsregelung geprägt. Abhängig vom der jeweilig benötigten Kraft und Dynamik werden Motoren mit unterschiedlichen Leistungen eingesetzt. Meist als bürstenbehafteter DC oder als BLDC-Motor. Ein großes Problem stellt hier oft das „Cogging“ dar: der Anwender soll an seinem Bedienelement keinerlei Rastmomente von nachgeschalteten Motoren spüren, die das Force Feedback benötigt, um die realitätsnahen Eigenschaften zu spüren. Dies wird bei vielen Anwendungen nur sehr schlecht herausgefiltert. Will man dann noch mehr als ein einfaches Vibrieren als Feedback anbieten, resultieren daraus sehr hohe Anforderungen an die Haptik bzw. an die Wahrnehmung der zu steuernden Kraft am Bedienelement – und damit auch an die Leistungsfähigkeit der verwendeten Komponenten. Das alles dann aber auch bei gleichzeitig möglichst niedrigen Herstellungs- und Teilekosten. Force Feedback-Bedienelemente ermöglichen als Mensch-Maschine- Schnittstelle eine feinfühlige Kraftrückkopplung an den Maschinenführer sind Joysticks in Flugzeugen oder Fahrzeugen sowie Lenkräder für Simulatoren oder Spielkonsolen. Aber auch in industriellen Anwendungen machen Force-Feedback-Systeme zur Steuerung von Greifarmen oder Steuerpulten und Leitständen Sinn, ebenso wie in der in der Steuerung von Maschinen und deren Peripherie. Dazu zählen Ausleger von Landmaschinen ebenso wie in Lastkränen, die z.B. zur Ladelöschung im Containerhafen eingesetzt werden. Denn Joysticks eigenen sich besonders gut für räumlich komplexe Steuerungsvorgänge bzw. Anwendungsbereiche, in denen durch die menschliche Hand größere Kräfte sehr präzise und mit hoher Dynamik gesteuert werden sollen. Vor allem Joysticks müssen auch ergonomisch so gestaltetet werden, dass ein ermüdungsarmes Arbeiten möglich ist und das Auge jederzeit dem zu steuernden Objekt folgen kann. Dieser intuitive Prozess ermöglicht dem Anwender eine vollständige Konzentration auf den jeweiligen Arbeitsvorgang – erfordert aber ein sehr genaues Force Feedback. Denn die Übertragung der Kräfte an den Anwender erfolgt dabei durch Sensoren, Aktoren mit Motoren, Elektronik und Software sowie Signalleitungen zur Erfassung, Aufbereitung und Übertragung von Kraft-Rückkopplung und Steuerfunktionen. WENN FORCE FEEDBACK MEHR ALS VIBRATION BIETEN SOLL Die Ursprünge des Force-Feedback gehen auf die Einführung von Servomechanismen im Avionikbereich zurück, die zur Betätigung von Rudern und Klappen eingeführt wurden – die sogenannten Steer by Wire-Systeme. Sie ersetzten die von den Piloten benötigten sensorischen Reize, die diese bei rein mechanischen Kontrollsystemen erhielten. Aktuelle Systeme geben oft lediglich vordefinierte Vibrationsmuster wieder, während in der Realität viele verschiedene Wirkprinzipien oder Rückkopplung der Anwendung weitergegeben werden müssen. Im Idealfall wird die zu steuernde Anwendung entweder simuliert oder am Ort der Krafteinwirkung mit Hilfe von Sensoren möglichst genau aufgenommen und auf die Steuereinheit bzw. das Bedienelement (bspw. Lenkrad, Steuerknüppel oder Stick) per Motor bzw. Aktuator übertragen. Damit sind Force WAS FORCE FEEDBACK MIT AUDIOPRODUKTION GEMEINSAM HAT Um für die Hand in möglichst angenehmes haptisches Feedback zu vermitteln, müssen viele verschiedene Faktoren bzw. haptische (sensorische) Effekte in der Wirkkette zwischen menschlicher Hand und dem (simulierten) Prozess miteinander kombiniert werden. Neben den rein mechanischen Aspekten sind die Elektronik und die Software für die Regelung des Force Feedback Aktors und dessen Motors von elementarer Bedeutung. Konkret darstellen lässt sich der Force Feedback-Effekt am Beispiel eines Audiomixers in der Audioproduktion. Diese Software bietet dem Tonmeister bzw. Mixing Engineer verschiedenste (Sound)-Effekte an – z. B. Hall oder Echo. Wird Musik aufgenommen, legt der Tonmeister verschiedene Effektspuren an, um ein optimales Soundergebnis zu erzielen. Ähnlich geht der Force Feedback-Entwickler vor, der bei der Entwicklung des perfekten Force Feedbacks Spuren für verschiedene Effekte wie Federkräfte, Dämpfung, Konstant-Kraft, Trägheit und Reibung anlegt. Genau wie in der Musik können diese Effekte miteinander kombiniert werden, um unterschiedliche Sinneseindrücke zu erzeugen. Das Force Feedback-System besteht grob aus einem Mikrocontroller, einem Motortreiber und einem Motor und der Mechanik. Die Motoransteuerung wird über eine feldorientierte Steuerung (FOC) realisiert, da dies den Motoren ermöglicht über den gesamten Drehzahlbereich reibungslos zu arbeiten, und eine große Kontrolle über das Motordrehmoment und eine sehr dynamische Leistung einschließlich Beschleunigung und Verzögerung bietet. Die Statorströme werden in zwei orthogonale Vektoren aufgeteilt (magnetischer Fluss und Motordrehmoment). Diese können gemessen und die Antriebssteuerung entsprechend der gewünschten Leistung modelliert werden. Zur Validierung der Algorithmen kann z. B. ein Sensor in einen Bedienhebel integriert werden, welcher die Bedienkräfte aufzeichnet. Aus den gewonnenen Daten werden die Einflussfaktoren des mechanischen Aufbaus ermittelt und somit die mechanische Feinabstimmung des Systems ermöglicht. In der Praxis ist es wichtig die Force Feedback-Programmierung exakt auf die jeweilige Applikation anzupassen. Ein Joystick kann sehr schnell und weit ausgelenkt werden, jedoch reagieren die Systeme dahinter meist deutlich träger bzw. zeitverzögert. Daher muss der Entwickler die jeweilige Verstelldynamik oder einen bestimmten Nachlauf einkalkulieren. Dabei gilt: Je größer dieser Nachlauf umso größer sollte die Handkraft am Joystick werden. Bilder: Aufmacher DedMityay – stock.adobe.com , 01 Mulderphoto – stock.adobe.com www.leber-ingenieure.de www.oup-fluidtechnik.de O+P Fluidtechnik 2021/10 49