Kuvvet-Geri-Beslemeli Haptik Cihazlar için Döner Manyetoreolojik Sönümleyici Geliştirilmesi

Abstract

Haptik arayüzlerde şeffaflığı azaltmadan empedans genişliğini arttırmak için akademik literatürde en çok başvurulan yöntem, elektrik motorlarının sönümleyici ve fren gibi pasif cihazlarla birlikte kullanımıdır. Bu cihazların motorlara sadece büyük empedanslar gerçeklenirken destek olmaları, küçük empedanslarda ise olabildiğince şeffaf olmaları gerekmektedir. Bu amaç için tasarlanacak bir cihazın yüksek tork üretmesi, hafif ve küçük boyutlu olması, elektronik olarak kontrol edilebilmesi ve hızlı tepki vermesi gerektiğinden araştırmacılar, birkaç istisna dışında, manyetoreolojik (MR) cihazlara yönelmiştir. MR cihazlar; viskoziteleri manyetik alan uygulandığında hızlıca artan (örn. 10 ms), alan kaldırıldığında ise yine hızlı bir şekilde eski haline dönen manyetoreolojik sıvılar (MRS) sayesinde çalışır. Manyetik alan cihaza entegre edilmiş elektromıknatıslar yardımıyla oluşturulabileceğinden, MR cihazların davranışı elektronik olarak kontrol edilebilir. Haptik uygulamalarda kullanılan MR cihazlar, bu teknolojiyi daha uzun süredir kullanan, otomotiv ve makina sektörlerindeki uygulamalar için geliştirilmiş tasarımların küçültülmesiyle ortaya çıkmıştır. Bu tasarımlarda MRS, cihazın gövdesi ile rotoru arasına doldurulmaktadır. Sıvı kaybı cihazın davranışını değiştireceğinden sızdırmazlığın sağlanması şarttır ve bunun için keçeler (O-ring) kullanılır. Keçelerden kaynaklanan sürtünme kuvvetleri, büyük ölçekli cihazların kullanıldığı uygulamalarda (örn. otomotiv) önemsiz sayılabilse de, haptik uygulamalarında şeffaflığı olumsuz etkilemektedir. Bu projede, MRS?nin ince cidarlı, esnek bir haznenin içinde kapalı-çevrim taşındığı özgün bir döner MR sönümleyici geliştirilmiştir. Sağlık sektöründe sıklıkla kullanılan peristaltik pompa mantığına benzer şekilde çalışan sönümleyicide MRS kapalı haznenin içinde kalıp hareketli parçalara doğrudan temas etmemektedir. Bu sayede sızdırmazlık keçe olmadan sağlanarak sürtünme azaltılmıştır. Öncelikle cihazın elektromanyetik tasarımı ve buna bağlı olarak boyutlandırması bir sonlu elemanlar yazılımı yardımıyla yapılmıştır. Sonrasında, tasarım detaylandırılıp prototip üretilmiş ve bir test düzeneği kurularak deneysel olarak incelenmiştir. Deneyler sonucunda cihazın üretebildiği maksimum ve minimum tork değerleri ile tepki süresi belirlenmiştir, elde edilen bulgular literatürde haptik uygulamalarda kullanılan benzer boyuttaki örneklerle karşılaştırılmıştır.