Haptik MRF cihazlar

Haptik (dokunma bilimi), eski Yunancaya ait bir fiil olan haptesthai’dan türetilmiş bir kelimedir. Dokunma bilimi kısaca dokunma hissi ile ilgili olan konuları incelemektedir. Objelerin bulundukları ortam ile etkileşim içerisinde veya tek başlarına el ile hareket ettirilmesi de dokunma biliminin çalışma alanına girmektedir. Dokunsal arayüzler genellikle mekanik çevirgeçlerden “transducer” imal edilmektedir. Bu arayüzlerden obje veya çevre ile olan etkileşimlerden açığa çıkan kuvvetlerin kullanıcıya geri beslenilmesi beklenilmektedir. Özet olarak, haptik arayüzler kullanılarak, sanal veya gerçek fiziksel sistemlere ait kuvvet veya torklar büyük bir doğrulukla taklit edilebilmektedirler. Bazı haptik arayüzlere ait fotoğraflar Resim 2.1’de verilmiştir.

Resim 2.1 Haptik cihaz resimleri (a–d) devinduyumsal cihazlar, ve (e–h) dokunsal cihazlar. (a) PHANToM Omni, (b) PHANToM Premium, (c) Omega.7, (d) Falcon, (e) CyberTouch, (f) Tactile Gloves, (g) Tactile Surface Display and (h) Texture Display Mouse [68].

25

Çevirgeç olarak aktif cihaz kullanılması durumunda genellikle elektrik motorları tahsis edilmektedir. Bu tip çevirgeçlerin tercih edilmesindeki en önde gelen sebepler arasında kolay tedarik ve kontrol edilebilirlik bulunmaktadır. Çarpışmaların veya rijit temasların modellenebilmesi için büyük elektrik motorlarına ve dişli kutularına gerek duyulmaktadır. Diğer bir taraftan ise büyük motor ve dişli kutularının sisteme dahil edilmesi ile sistemin ağırlığı ve boyutları da artmaktadır. Daha da fazlası sürtünme ve atalet nedeni ile sanal veya uzak ortamın gerçek ortamdan ayırt edilemez gibi hissedilmesi (sistemin şeffaflığı) bundan büyük oranda olumsuz etkilenmektedir. Uzaktan ameliyat ve benzeri uygulamalarda genişletilmiş kavrama aralığı aranılan bir niteliktir. İnsan işaret parmağı en fazla 50 N seviyesinde bir baskı kuvveti uygulayabilmektedir. Normal şartlarda işaret parmağı ile parmağın sezişini olumsuz etkilemeden 7 N seviyelerinde baskı kuvveti uygulanabilmektedir. Baskı kuvveti değeri orta parmak için 6 N, ve yüzük parmağı için 4,5 N olarak verilmektedir [69]. Parmakların kavrama sırasında üretebildikleri baskı kuvvetleri göz önüne alınınca, MRF cihazların ürettikleri kuvvetlerin beklenenden çok fazla olduğu görülmektedir. Maalesef aynı durum bu cihazların sistemde kullanımına bağlı açığa çıkan düşük kuvvetler için gerçerli değildir [58]. Örneğin insan parmağı 0,2 N değerinden küçük kuvvetleri hissedememektedir [69]. Moment kolu 60 mm olan bir döner MRF cihazın kapalı durumda 12 mN.m’den fazla tepki torku vermesi durumunda operatör şeffaflığı olumsuz etkileyen bu kuvveti hissedecektir. Bazı haptik MRF cihazlara ait fotoğraflar Resim 2.2’de verilmiştir.

Resim 2.2 Haptik MRF cihaz resimleri, sol baştan sırası ile haptik eldiven [70], haptik makas [71], ve haptik fren [72].

MRF cihazların en büyük avantajı kontrolleri için çok düşük güce gereksinim duymalarıdır. Bu cihazlar, sönümleme, frenleme ve güç aktarım elemanı olarak güç aktarma organlarında da kullanılabilmektedirler. Bu nedenden dolayı gerçekleştirilen çalışmaların büyük kısmı büyük ölçekli sönümleyici ve frenler üzerine yoğunlaşmıştır. Haptik arayüzler büyük oranda kuvvet geri-beslemeli uzaktan

26

kontrol ve sanal eğitim sistemlerinde kullanılmaktadır. Bu arayüzlerde özellikle küçük, hafif, düşük sürtünme sergileyen ve yüksek kuvvet kapasitesine sahip eyleyiciler tercih edilmektedir. MRF cihazlar bu beklentileri karşılayabilecek potansiyele sahip olmalarına rağmen günümüze kadar yapılan araştırmaların büyük kısmında büyük ölçekli MRF fren ve sönümleyicilerin araştırılmasına öncelik verilmiş ve bu çalışmalarda tepki torkunun arttırılması ön planda tutulmuştur. Ticari MRF cihazları ile 2 kN seviyelerinde tepki kuvvetleri elde edilebilmektedir. Bu ticari ürünler genellikle çok ağır ya da dokunsal arayüz uygulamaları için boyutsal sınırın dışında kalmaktadırlar. Bu bilgiler ışığında hafif ve küçük bir MRF cihaz geliştirilmesinin ilgi çekici bir araştırma konusu olduğu görülmektedir. Şu ana kadar geliştirilen pek çok MRF cihaz güç tüketimi, boyut ve sağlayabildikleri en yüksek tepki kuvvetleri cinsinden değerlendirilmişlerdir. MRF cihazlara ait tasarımlar incelenildiğinde ne yazik ki, şeffaklık ve sıfır-alan “zero-field” tepki kuvvetini temsil eden değerler ya nadiren raporlanmış ya da bu değerlere hiç değinilmemiştir. Her zaman küçük, hafif ve ucuz eyleyiciler için talep olacaktır. Örnek olarak [70] istenilmeyen titreşimleri, yavaş tepki süreleri, ve statik sürtünme değerleri nedeni ile sürtünme frenlerinin yerini MRF frenler almıştır.

Yeni yapılan araştırmalarda medikal takmalara (protezlere) ve haptik uygulamalara önem verilmeye başlanmıştır. Bu çalışmalarda cihazların küçültülmesi ve tork hacim oranının arttırılması hedeflenilmiştir. [73-76]. Shafer ve ark. [77] tarafından insan dostu robotik sistemlerin servo kontrol uygulamalarında kullanılmak üzere bir ilk örnek (prototip) MRF kavrama geliştirip test etmişlerdir. Geliştirilen bu kavrama endüstriyel alanda kulanılan düşük ve orta tork beklentisi olan sistemler için geliştirilmişir. Çalışmanın asıl amacı konvansiyonel servo motorlu sistemlerde mevcut olmayan güvenli eyleyici hareketin sisteme kazandırılmasıdır. Bu güvenli eyleyici hareketi özellikle insanların sistem ile etkileşimi sırasında büyük önem arz etmektedir. Blake ve ark. [70] tarafından 84 g ağırlığında, 25 mm çapında ve 899 mN.m tepki torku üretebilen haptik arayüzlerde kullanılmak üzere kompakt bir MRF fren geliştirilmiştir. Kıvrımlı akı yolu oluşturularak elde edilen bu kompakt tasarım kuvvet geri beslemeli eldiven üretmek için kullanılmıştır. Haptik eldivenin ağırlığı 6 adet pasif eyleyici kullanılması nedeni ile 640 gr olarak ölçülmüştür. Doğrusal bir MRF sönümleyici yaklaşımı Topcu ve ark. tarafından [53] haptik parmak kavrama uygulamalarında kullanılmak üzere sunulmuştur. Yapılan farklı çalışmalarda ayrıca

27

156 mm çapında, 21 mm boyunda, 4,5 N.m tepki torku verebilen ve 2786 gr kütleli bir haptik cihaz [72], 120 mm çapında, 38 mm boyunda, 4,24 N.m tepki torku verebilen, 1400 gr kütleli bir döner MRF eyleyici [78], 92,2 mm çapında, 36,6 mm boyunda, 5,6 N.m tepki torku verebilen, 1410 gr kütleli bir MRF fren [79], ve 52 mm çapında, 32 mm boyunda, 6 N.m tepki torku verebilen, 237 gr kütleli bir MRF kavrama [75] gibi pasif eyleyiciler de geliştirilmiştir. Özet olarak pasif eyleyici olan MRF cihazlar haptik arayüzler için beklentileri karşılayabilecek özelliklere sahiptirler.