PMX als zentrales Mess-und Steuerungssystem zur Erforschung von haptischen Aktoren mit Formgedächtnisseffekt

ANWENDUNG VON HAPTISCHEN INFORMATIONSSYSTEMEN AUF DER BASIS VON FORMGEDÄCHTNISLEGIERUNGEN (FGL) IM AUTOMOBIL

Formgedächtnislegierungen (FGL) können als geräuschlose und leichte Kleinantriebe in minimalisierten Bauräumen betrieben werden. Trotz ihrer geringen Größe besitzen diese Antriebe die höchste Leistungsdichte aller bekannten Aktoren.

Problem

Aktoren sollen dem Menschen helfen Maschinen und Geräte sicherer zu Bedienen. Damit dienen sie der aktiven Betriebssicherheit und minimieren das Unfallrisiko.

Lösung

„Metalle mit Gedächtnis“ also Formgedächtnislegierungen sind klein und leistungsstark und können hier einen aktiven Beitrag in Zukunft leisten. Das PMX Messverstärkersystem als zentrales Mess- und Steuergerät erfüllt alle Anforderung and den Versuchsprüfstand des ZAF-Testlabors.

Ergebnis

Mit PMX konnte das ZAF die Versuchsdurchführung effizient lösen und damit die Grundlage schaffen für eine Produktentwicklung die im weitergehenden Forschungsverlauf auf Industriezweige der Maschinensicherheitstechnik, der Automobiltechnik und der Bekleidungsindustrie übertragen wird.

What Is the Shape Memory Effect?

Wird ein Formgedächtniselement im martensitischen Zustand mechanisch verformt, so tritt beim Überschreiten einer kritischen mechanischen Spannung eine hohe Dehnung (bis ca. 8%) in Form eines Plateaus auf. Wird anschließend die Temperatur soweit erhöht, dass eine Phasenumwandlung von Martensit in Austenit eintritt erfolgt die Rückverformung des Formgedächtniselementes. Dieser Vorgang ist hysteresebehaftet und reversibel [1]. Auf diese Weise kann man den in Abbildung 1 (links) dargestellten Formgedächtnisdraht unter Last zwischen dem Zustand 1 und 2 hin- und herschalten, indem man ihn elektrisch aufheizt. Während der Materialumwandlung ist eine auch signifikante Änderung des elektrischen Widerstandes feststellbar.

Ein FG-Drahtaktor besteht meist aus einer NiTi-Legierung und kann maximale Zugspannungen von 400 MPa im Dauerbetrieb, 800 MPa für einmalige Vorgänge erzeugen [2]. Ein FG-Draht von 1g Eigengewicht kann beispielsweise Lasten von 5000g bewegen. Ein Elektromagnet gleicher Leistungsklasse würde mehr als 200g wiegen.

Wegen der genannten Eigenschaften ist beispielsweise die Realisierung von sehr leichten und kompakten haptischen Elementen möglich.

 

Abbildung 2 zeigt ergänzend einen bogenförmig aufgebauten FG-Antrieb. Der eingehängte FG-Draht wird an beiden Enden mechanisch eingespannt, während der Mittelteil mit einem Stellelement verbunden ist. Dieses Stellelement kann verwendet werden, um mechanische Stimulanzen in Form von Kraftreizen auf den Menschen zu übertragen.

Das besondere an krafttaktilen FG-Aktoren für die Haptik stellt das Stellverhalten von FG- Aktoren dar. Hiermit können quasi-statische Reize übertragen werden, die über haptische Rezeptoren wesentlich besser hinsichtlich der Intensität unterschieden werden können, als es bei Vibrationsaktoren der Fall ist.

Konzept: Intelligente Automobil-Mensch Kommunikation über Haptik

Abbildung 3 zeigt ein Konzept zur Nutzung des haptischen Informationsfeedbacks im Automobil. Hierzu erfasst das Fahrzeug durch Sensoren die Umgebungszustände und kann z.B. Abstände zu anderen Fahrzeugen während der Fahrt, Hindernisse beim Einparken oder Gefahrenquellen in der näheren Umgebung erkennen. Das Signal wird beispielsweise von einem Ultraschallsensor erfasst und an ein Steuergerät weitergeleitet.

Nun kann die Information über den haptischen Reizkanal an den Fahrer über verschiedene Hautrezeptoren übertragen werden. Zum einen kann wie in [4] gezeigt die Abstandsinformation zum Vorderfahrzeug über analoge haptische Elemente am Lenkrad übertragen werden, zum anderen können in einem ergonomisch angepassten Sitz ortsbezogene Reize generiert werden. Somit ist es möglich, dass im Lendenwirbelbereich Aktoren eingesetzt werden, die einen Bezug zu den hinteren Abstandssensoren im Fahrzeug herstellen.

Ein besonders interessanter Punkt für die Reizwahrnehmung ist zudem der Fußbereich. Dieser kann mit einem Aktor, der in einen Schuh integriert ist, stimuliert werden. Im Bereich des Fußbogens, welcher beim Gehen unbelastet bleibt, kann ein FG-Aktor eingesetzt werden, der einen maximalen Stellweg von 2 mm erzeugen muss.

Hierbei überwindet der Aktor 1,2 mm Sohlenelemente im Schuh und erzeugt einen Reiz von maximal 5 N bei einem Stellweg von 0,8 mm. Die Anbindung an das Steuergerät erfolgt durch eine kabellose Informationsübertragung. Energetisch wird das haptische Stellsystem über eine induktive Schnittstelle versorgt.

Systementwicklung und Versuchsaufbau

Zur Evaluierung des Konzeptes wurde ein Muster ein einem Herrenschuh aufgebaut. Der FG-Aktor wurde im Bereich des hinteren Fußbogens in eine in den Schuh gefräste Nut eingebaut. Der FG-Aktor ist so montiert, dass der Haptik-Pin die Schuhsole durchdringen muss, um den aufliegenden Fußbogen im Schuh zu erreichen.

Die Steuerung des Versuchs erfolgt durch einen Universalmessverstärker PMX mit integrierter SPS, welche mit Codesys programmiert wurde. Der Stellweg des FG-Aktors und damit auch die Reizintensität des haptischen Signals wird über einen potentiometrischen Sensor erfasst und an den Messverstärker gesendet. Die Auslösung des FG-Aktors erfolgt ereignisgesteuert, so dass in Abhängigkeit der servomotorisch angeregten Schuhbelastung, die Stellwege des FG-Aktors gemessen werden können.

Zum Start eines Zyklus wird von der Steuerung ein Signal zum Schließen des Relais ausgegeben, sodass der Stromkreis zwischen der Stromquelle und dem zu prüfenden Aktor geschlossen wird. In der Folge verkürzt sich der FG-Draht und erzeugt damit entsprechend der Skizze in Abbildung 2 einen Hub.

PMX eine Komponente zur Steuerung und Datenaufzeichnung

Mit dem Messverstärkersystem PMX steht eine passgenaue Lösung zum Betrieb des Prüfstandes zur Verfügung. Durch seinen flexiblen Aufbau erlaubt es präzise Messung mit verschiedensten Sensortypen und kann über seine digitalen Ein- und Ausgänge und die integrierte CODESYS Soft-SPS den gesamten Prüfstand steuern. Alle Messwerte werden mit 20kHz abgetastet und über die integrierte Ethernet-Schnittstelle auf der DAQ-Software CATMAN von HBM visualisiert und gespeichert.

In dem nachfolgenden Versuch wurde zusätzlich eine Druckbelastung im Schuh, ähnlich wie beim Gehen, simuliert. Hierzu wurden zwei Servomotoren genutzt, um den Fußdruck auf die Schuhsole (von der Schuhoberseite aus) zu erzeugen. Abbildung 6 zeigt die hierzugehörige dynamische Messung (über der Zeit). Die Belastungskräfte wurden unterhalb der Schuhsolen gemessen und treten unabhängig vom Stellweg des FG-Aktors auf.

Wird der Schuh belastet, ändert sich damit auch die Last am FG-Aktor. Erreicht im Versuch der Stellweg die Nullposition, so wird die Bestromung des FG-Drahtes ausgeschaltet und die Last eingeschaltet. Wenn der Aktor noch im austenitischen Zustand ist, wird er durch die mechanische Kraft gelängt, bzw. erfährt eine pseudoelastische Dehnung. Nach dem Abschalten der Gegenkraft springt der FG-Aktor nun in Abhängigkeit von seiner Temperatur zu den Umwandlungstemperaturen noch auf eine ausgefahrene Position zurück. Durch die Gegenkraft ergibt sich eine geringere, für den Nutzer spürbare, Impulszeit von nur 4 Sekunden.

Zusammenfassung und Ausblick

„Die hier aufgeführten Grundlagenuntersuchungen wurden im Rahmen des Projektes 'Altersgerechte Haptik-Feedback-Elemente auf Basis von Formgedächtnisaktoren' (gefördert im Rahmen wissenschaftlicher Vorprojekte des BMBF) durchgeführt. Durch das präzise und einfach zu programmierende PMX Messsystem konnten wir in Kurzer Zeit den Versuch aufbauen. Dabei dient PMX als Steuerungssystem für den Versuch und gleichzeitig als Datenaufzeichnung (DAQ) zur späteren Versuchsauswertung.

Die mechanische Ausgestaltung sowie die Versuchsdurchführung dienen als Grundlage für eine Produktentwicklung die im weitergehenden Forschungsverlauf auf Industriezweige der Maschinensicherheitstechnik, der Automobiltechnik und der Bekleidungsindustrie übertragen wird“, erklärt Dr.-Ing. Alexander Czechowicz bei der Vorstellung des Projektes.

Über das ZAF

Das ZAF, das Zentrum für angewandte Formgedächtnistechnik, ist Mitglied in der Forschungsgemeinschaft Werkzeuge und Werkstoffe e.V. Hauptziel ist die Industrienahe Forschung/Entwicklung für die Werkzeug-, Schneidwaren- und Besteckindustrie, Massivumformung, Automotive, Feinmechanik, Werkzeugmaschinen und Ventiltechnik. Es ist ein Institut der Bergischen Universität in Wuppertal seit 2003 an der Dr.-Ing. Alexander Czechowicz tätig ist.