Sådan opnår du præcis og pålidelig styring af tungt industrielt udstyr i barske miljøer

Designere af tungt konstruktions-, industri-, robot-, marine- og luftfartsudstyr tilføjer større funktionalitet, mens de samtidig leder efter måder at implementere stadig mere præcis kontrol af delikate operationer og bevægelser ved hjælp af lette, kompakte kontrolsystemer. Disse mål skal også nås i et barskt og uforsonligt miljø, der er både fysisk og elektrisk udfordrende.

For at imødekomme disse krav skal designerne sikre, at brugerinterfacet har det niveau af præcision, retningsfleksibilitet og taktil feedback, der kræves for nøjagtig kontrol, samtidig med at det er robust og pålideligt over for ekstreme temperaturer og brugscyklusser.

Touchskærme har deres plads, men de mangler den nødvendige taktile feedback og robusthed. Klassiske X/Y-joysticks har også en tendens til at være både for klodsede og mangle det antal signalmuligheder og akser, der er nødvendige for maksimal retningskontrol. I stedet kan designerne bruge joysticks med lav profil, eller thumbsticks, som nu er i stand til at give mere raffineret kontrol i en robust formfaktor. Disse små enheder betjenes af brugerens tommelfinger eller fingre og giver nem adgang til flere input, selv i trange omgivelser.

Denne artikel diskuterer kort, hvorfor moderne industrielt og andet tungt udstyr kræver mere præcise betjeningselementer, og hvordan thumbsticks med lav profil løser de relevante problemer. Derefter gennemgås de vigtigste design- og implementeringskriterier, herunder valg af sensor, robusthed og fysiske og elektriske designmuligheder. Virkelige thumbsticks med lav profil fra APEM Inc. er brugt som eksempler.

Mere sofistikeret udstyr kræver mere præcise styring

Behovet for bedre operatørstyring er accelereret på grund af to hovedtendenser: den voksende kompleksitet i kravene på arbejdspladsen og indførelsen af avancerede teknologier. Disse tendenser skaber et behov for ikke bare mere præcise styringer, men også mere komplekse styringer, ofte med flere bevægelsesakser.

For at illustrere denne pointe kan man se på de marine portalkraner, der laster og losser containerskibe. Efterhånden som skibene bliver større, skal kranerne arbejde hurtigere for at opnå en acceptabel tid i havn (hvilket direkte påvirker fortjenesten). Samtidig kræver skærpede regler forbedringer af sikkerheden og miljøpåvirkningen.

Hele havnemiljøet er også under forandring. Skibe, tog, lastbiler og andet udstyr i disse havne har alle fået tilføjet teknologier, der øger behovet for koordinering med høj præcision. F.eks. bruges automatisk styrede køretøjer (AGV'er) til at transportere gods rundt på havnen, og disse AGV'er kræver præcis placering af godset.

For at håndtere alle disse faktorer skifter kranerne fra hydraulisk til elektrisk drift. Det øger ikke kun hastigheden og præcisionen, men forbedrer også alsidigheden ved at tillade mere komplekse kombinationer af vandret, lodret og roterende bevægelse.

Tilpasning af operatørens betjeningselementer til udstyrets kapacitet

For at styre dette stadig mere sofistikerede udstyr har operatørerne brug for lige så dygtige fleraksede styringer, som skal være præcise, pålidelige og nemme at bruge.

Touchskærme er en mulighed. De er nemme at bruge og kan nemt håndtere flere samtidige input. Touchskærme er dog følsomme og udsatte for utilsigtede berøringer. Snavs, fugt og ekstreme temperaturer kan forårsage funktionsfejl, og skærmene er sårbare over for fysiske skader og elektromagnetisk interferens. Vigtigst af alt giver de ikke taktil feedback, hvilket gør dem dårligt egnede til heads-up-betjening af tungt udstyr.

Joysticks løser mange af disse problemer. Ved at montere et joystick i en armlænskonsol eller på en såkaldt belly box får man et behageligt, ergonomisk input. Med et ordentligt design kan de holde til hårde miljøforhold. De kan også give fysisk feedback til operatøren og holde det visuelle fokus på arbejdsområdet.

Men traditionelle joysticks kan tage meget plads i trange omgivelser og kan stikke ud på måder, der gør dem sårbare over for utilsigtet betjening. Selv når der er god plads, sætter det faktum, at joysticks kræver relativt store bevægelser, en grænse for deres præcision.

Thumbsticks løser disse problemer ved at skrumpe joysticks ned til en mere håndterbar størrelse. Disse lavprofilenheder betjenes med tommelfingeren eller fingeren og minimerer risikoen for utilsigtet betjening. De giver mulighed for præcise og jævne input, og operatørerne kan nemt håndtere to thumbsticks på én gang, hvilket løser problemet med flere input.

Joysticks med lav profil er særligt velegnede til bærbare controllere, såsom belly boxes eller håndholdte enheder. Men enhver applikation med begrænset plads kan drage fordel af deres reducerede størrelse.

Valg af den rigtige sensor

Selvfølgelig er ikke alle thumbsticks skabt ens. Til at begynde med kan de bruge en række forskellige positionssensorer, herunder potentiometriske (dvs. resistive), induktive, fotoelektriske eller Hall-effekt (dvs. magnetiske). Hver af disse muligheder har sine egne fordele og ulemper:

• Potentiometriske sensorer er enkle og billige, men har en begrænset levetid.
• Induktive sensorer er mere pålidelige, men er følsomme over for temperaturændringer og elektromagnetisk interferens (EMI).
• Fotoelektriske sensorer er præcise, men er sårbare over for støv, fugt og fysiske skader.
• Hall-effektsensorer er nøjagtige og holdbare, men kan påvirkes af stærke magnetfelter.

Når man tager alle disse kompromiser i betragtning, er en Hall-effektsensor ofte det bedste valg til højpræcisionsmåling i et robust miljø. Hall-effektsensorer, der arbejder ved standard 3,3 eller 5 volt jævnstrøm (DC) og implementeres sammen med robust mekanik, resulterer i en enhed, der kan holde til en forventet levetid på 10 millioner cyklusser.

Hall-effektsensorer placerer en tynd strimmel af ledende materiale mellem to elektroder (figur 1). Når en strøm (I) løber gennem strimlen, og et magnetfelt (B) påføres vinkelret på det, genereres en spændingsforskel (U_H) på tværs af strimlen. Denne spændingsforskel kaldes Hall-spændingen, som er proportional med magnetfeltets styrke og retning.

Figur 1: Hall-spændingen (U_H) genereres, når en strøm (I) løber gennem en ledende strimmel, og en magnetisk fluxtæthed (B) er placeret vinkelret på strimlen. (Billedkilde: Wikipedia)

Nogle af fordelene ved Hall-effektsensorer frem for andre typer sensorer i industrielle joystick-applikationer er:

• De er kontaktløse og bliver ikke slidt med tiden.
• De er immune over for støv, snavs, fugt og vibrationer.
• De kan måle lineær og vinklet forskydning med høj nøjagtighed og opløsning.
• De kan fungere over en bred vifte af temperaturer og spændinger.
• De kan nemt integreres med digital elektronik og mikrocontrollere.

Hall-effektsensorer er særligt nyttige, fordi de kan registrere både position og vinkel. Det gør dem velegnede til multi-akse kontrol, såsom joysticks med ikke kun X/Y kontrol, men også et Z-akse centerudtag.

Når det er sagt, er sensoren kun én designparameter, der skal overvejes. En vellykket implementering af et Hall-effekt thumbstick kræver omhyggelig overvejelse af flere fysiske og elektriske parametre.

Placering af en thumbstick på kontrolpanelet

Nogle gange kan et thumbstick monteres på et beskyttet, fast sted, f.eks. et kontrolpanel. Ofte har operatørerne brug for at være tæt på arbejdet, hvilket begrænser mulighederne til let misbrugte steder som konsoller, køretøjets armlæn, pendler og en belly box.

Hvis thumbsticken bruges i et håndholdt kabinet, skal man sørge for at beskytte den mod faldskader. Grundlæggende forholdsregler som at montere den i den letteste ende af kabinettet, så den ikke rammer jorden først, eller beskytte den med en afskærmning bør implementeres for at sikre pålidelighed på lang sigt.

Køretøjer er en anden risikabel situation. Betjeningshåndtag om bord på et skib eller køretøj, der bevæger sig, kan fungere som et uhensigtsmæssigt greb, så det er vigtigt at placere thumbsticks i den mindst mulige højde for at undgå potentielt farlig utilsigtet betjening.

I alle disse situationer bør thumbsticks ikke række længere end ca. 50 millimeter (mm) (2”) over en panelflade. Der skal også være tilstrækkelig afstand mellem thumbsticket og andre betjeningselementer på panelet, og der skal være ekstra afstand, hvis operatøren bærer store handsker.

Robustgørelse af et joystick med lav profil

Industrielle joysticks udsættes ofte for faldende eller sprøjtet vand, så disse enheder skal være klassificeret til mindst IP66. Det kan man gøre med en snoet kappe, dvs. en fleksibel manchet, der kan udvide sig og trække sig sammen, når joysticket bevæger sig (figur 2).

Et joystick kan placeres i en paneludskæring eller monteres fra bagsiden. I begge tilfælde må undersiden af panelet ikke udsættes for vandsprøjt, høj luftfugtighed eller støv, da denne del af joysticket ikke er beskyttet af beskyttelseskappen.

Figur 2: Direkte montering af et lavprofil thumbstick (venstre) bruger en ramme og undersænkede skruer; bagmontering (højre) bruger maskinskruer og tilhørende møtrikker, men ingen ramme. En indviklet kappe giver beskyttelse i henhold til IP66. (Billedkilde: Forfatter, fra APEM kildemateriale)

For at maksimere holdbarheden bør designere kigge efter en enhed med et skaft i rustfrit stål, sammen med en tilsvarende kardan og mekanik i hårdt metal. Som tidligere nævnt er håndholdte enheder tilbøjelige til at falde ned, så joysticket skal testes for at overleve et frit fald på 1 meter (m). Designere bør også kontrollere, om der er passende klassificeringer for vibrationer, elektromagnetisk kompatibilitet (EMC) og elektrostatisk afladning (ESD) i overensstemmelse med gældende IEC-standarder.

Modstandsdygtighed over for ekstreme temperaturer er også afgørende i barske miljøer. APEM's lavprofil-joysticks i XS-serien er f.eks. klassificeret til en driftstemperatur på -30 °C til +85 °C og en opbevaringstemperatur på -40 °C til +110 °C.

Endelig, hvis thumbsticket skal bruges i en sikkerhedskritisk applikation (hvilket ofte er tilfældet), skal du kigge efter en SIL-klassificering (Safety Integrity Level) på SIL2 eller bedre.

Overvejelser om design af menneskelige brugervenlighedsfaktorer

Valg af de rigtige materialer og ergonomisk design til joysticket kan have en betydelig indvirkning på brugervenligheden. Designere skal huske på, at controlleren kan være våd eller beskidt, og at operatøren kan være iført tunge handsker. Derfor bør hætten til joysticket være lavet af et materiale som nylon, der giver en holdbar overflade, som er nem at gribe fat i.

Som illustreret i figur 3 findes der en række forskellige joystick-hætter til forskellige scenarier. For eksempel er XS140SCA12A62000 fingerspids-joysticket fra APEM udstyret med en hætte som vist her (til venstre). Denne hætte gør det lettere for operatøren at mærke hovedakserne X og Y, hvilket kan hjælpe med at holde en lige bane. I modsætning hertil bruger XS140SDM12A62000 en fingerspidshætte, der er velegnet til vilkårlige bevægelser.

Figur 3: Hætten på XS140SCA12A62000 (venstre) og den flade hætte på XS140SDM12A62000 (højre) er velegnede til henholdsvis lineær og vilkårlig bevægelse. (Billedkilde: Forfatter, fra APEM kildemateriale)

Joysticks kan også udstyres med en guidet følelse. Et sådant joystick bevæger sig lettere mod hovedakserne, og det kræver mere kraft at bevæge sig væk fra disse akser. På samme måde kan et joystick være udstyret med en centreringskraft, der øger joystickets samlede modstand. For eksempel kan APEM XS-seriens lavprofil-joystick fjedres til midten med en kraft så let som 1 newton (N) eller så stærk som 2,5 N.

Endelig kan et joystick konfigureres med en række funktioner, der er relateret til midterpositionen:

• Ved at tilføje et centerudtag-funktion kan joysticket bruges som en knap, hvilket kan forenkle kontrolpanelet og muliggøre mere komplekse handlinger.
• Alternativt kan det midterste udtag bruges til en spændingstest for at sikre, at strømforsyningen fungerer korrekt.
• Til applikationer, der har brug for en aktiv/inaktiv statusindikator, kan en centerregistreringsfunktion afgøre, om joysticket er i brug (denne funktion bør ikke bruges til sikkerhedsformål).

Bemærk, at disse muligheder udelukker hinanden. Det er vigtigt at identificere, hvilken funktion der egner sig bedst til at blive implementeret på joysticket, og hvilke andre funktioner der kan mappes til andre kontrollere.

Overvejelser om elektrisk design

For at sikre maksimal pålidelighed skal du kigge efter et joystick med redundante Hall-effektsensorer. Desuden skal strømforsyningen være omhyggeligt reguleret. Hvis strømforsyningen ændrer sig uden for de specificerede tolerancer, kan der opstå permanent skade på sensorerne, hvilket fjerner fordelene ved redundans.

Joystickets spændingsudgange kræver også gennemtænkt design. Som det første trin skal udgangssignaltypen (f.eks. analog eller pulsbreddemodulation (PWM)) vælges, og spændingen skaleres, så den passer til de forventede indgange i den mikrocontrollerenhed (MCU), der skal læse disse signaler. Figur 4 viser et eksempel på sådanne mulige udgangsspændinger. Udgangsimpedansen bør også overvejes. En lav belastningsmodstand (f.eks. < 10 kilohms (kΩ)) skaber risiko for høje strømme, der kan beskadige sensoren.

Figur 4: For joysticks med flere akser skal de to udgangsspændinger (X/Y) skaleres, så de passer til MCU-indgangene. (Billedkilde: APEM)

Som tidligere nævnt er Hall-effektsensorer sårbare over for magnetisk interferens. Et veldesignet joystick vil derfor have en indbygget magnetisk afskærmning. Man skal sørge for at afkoble strømforsyningen korrekt og anvende tilstrækkelig EMC-afskærmning. Selv med disse foranstaltninger på plads, bør joysticket ikke monteres eller betjenes i nærheden af stærke magnetfelter.

Konklusion

Efterhånden som industrielt udstyr bliver mere komplekst, har designere brug for mere robuste styringer for at sikre, at brugerinterfacet har det niveau af præcision, retningsfleksibilitet og taktil feedback, der kræves til præcis styring, samtidig med at det er robust og pålideligt over for ekstreme temperaturer og brugscyklusser. Som vist kan et joystick med lav profil være en fremragende løsning. Med passende overvejelser om positionssensor, IP-klassificering, elektromagnetisk isolering og menneskelig brugervenlighed, understøttet af omhyggelig designimplementering, kan et sådant thumbstick give mange fordele til en lang række applikationer.