Mechatronika alapjai Kedvcsináló olvasmányok a mechatronikai tanulmányaikat megkezdő elsős hallgatók számára Munkapéldány, utolsó változtatás: 2015. július 15.
Tartalomjegyzék 1.
Bevezetés ............................................................................................................................. 5 A mechatronika fogalma ................................................................................................ 5 A Mechatronika helye a mérnöki tudományokban ........................................................ 8 1.2.1. Fizikai hatások és jelek komponensekre bontása .................................................. 13 1.2.2. Analitikus és numerikus modellek ........................................................................ 14 1.2.3. Mechatronika, mint szemlélet ............................................................................... 14 1.2.4. Klasszikus-mechatronika (automatizált precíziós gépek, robotika) ...................... 15 1.2.5. Opto-mechatronika ................................................................................................ 15 1.2.6. Jármű-mechatronika .............................................................................................. 15 1.2.7. Épület-mechatronika ............................................................................................. 16 1.2.8. Bio-mechatronika .................................................................................................. 16 1.2.9. Agro-mechatronika ................................................................................................ 16 Mechatronikai mérnöki alapszak célkitűzése a hivatalos 2014. évi tájékoztató füzet alapján................................................................................................................................... 17 A Mechatronika alapjai tananyag célkitűzése .............................................................. 18 2. Robotikai Trendek ............................................................................................................. 22 Bevezetés ...................................................................................................................... 22 2.1.1. A robot definíciója................................................................................................. 23 2.1.2. A robotok fontosabb részegységei és feladatai ..................................................... 23 2.1.3. A robotirányítás mechanikai alapjai ...................................................................... 25 2.1.4. Robotok geometriai és kinematikai jellemzése ..................................................... 26 2.1.5. Robotok csoportosítása.......................................................................................... 27 2.1.6. Felhasználás szerinti csoportosítás ........................................................................ 28 2.1.7. Ipari és szolgáltató robotok néhány különbsége .................................................... 29 2.1.8. Szolgáltató robotok csoportosítása ........................................................................ 30 2.1.9. Autonómia definíciója ........................................................................................... 31 Az ETO robot bemutatása ............................................................................................ 33 2.2.1. A robot fő jellemzői .............................................................................................. 33 2.2.2. A robot egységeinek részletes bemutatása ............................................................ 33 A szociális robotok típusai ........................................................................................... 39 2.3.1. Kompai .................................................................................................................. 39 2.3.2. Biron ...................................................................................................................... 39 2.3.3. Hospi-Rimo ........................................................................................................... 40 1
2.3.4. iRobiQ ................................................................................................................... 40 2.3.5. Wakamaru ............................................................................................................. 41 2.3.6. RoboVie R3 ........................................................................................................... 42 2.3.7. HAR (Home Assistant Robot) ............................................................................... 42 2.3.8. PaPeRo .................................................................................................................. 42 2.3.9. Cubo ...................................................................................................................... 43 2.3.10. Mamoru ................................................................................................................. 43 2.3.11. Nao ........................................................................................................................ 44 2.3.12. iCat ........................................................................................................................ 44 2.3.13. Paro ........................................................................................................................ 45 2.3.14. Kobie ..................................................................................................................... 46 2.3.15. Rabie ...................................................................................................................... 46 2.3.16. Pomi....................................................................................................................... 47 Robotok kommunikációja .................................................................................................... 47 2.3.17. Beszéd ................................................................................................................... 47 2.3.18. Gesztikuláció ......................................................................................................... 48 2.3.19. Közvetlen betáplált információ ............................................................................. 48 Robot-piaci trendek ...................................................................................................... 49 Ember robot együttműködés a műhelyben ................................................................... 51 2.5.1. Robot működtetés osztott térben ........................................................................... 51 2.5.2. Rugalmas ember robot kölcsönhatások ................................................................. 52 A szerviz robotok mérnöki koncepciója ....................................................................... 54 Eto-robotika .................................................................................................................. 55 Mogi robi a hűséges társ ............................................................................................... 56 2.8.1. Az etológiai modell ............................................................................................... 57 Ember-robot kommunikáció fejlődése ......................................................................... 57 A telemanipuláció rövid története ................................................................................ 58 2.10.1. Mi is a telemanipuláció ......................................................................................... 59 A telemanipuláció általános megközelítése.................................................................. 60 2.11.1. Alapdefiníciók ....................................................................................................... 60 2.11.2. Az ideális Telepresence (Telejelenlét) .................................................................. 62 2.11.3. A telemanipuláció speciális esetei ......................................................................... 63 Master eszköz mint tapintó interfész ............................................................................ 64 2.12.1. Kesztyű típusú tapintó interfész ............................................................................ 67 Összegzés ..................................................................................................................... 68 2.13.1. Hivatkozások a bevezetőhöz ................................................................................. 69 3. Opto-mechatronika trendek .............................................................................................. 69 LED fényforrások ......................................................................................................... 69 3.1.1. A világító diódák történelme és fejlődése ............................................................. 69 A lézerek ipari alkalmazásai ......................................................................................... 71 Klasszikus és Modern megjelenítési technikák ............................................................ 75 3.3.1. Elektromechanikus kijelzők .................................................................................. 78 3.3.2. A VFD kijelzők ..................................................................................................... 80 3.3.3. Csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelzők ...................................................... 81 3.3.4. CRT kijelzők ......................................................................................................... 82 3.3.5. A SED és FED kijelzők ......................................................................................... 84 3.3.6. Az EP (elektronikus papír) kijelzők ...................................................................... 85 3.3.7. Az LCD / TFT kijelzők ......................................................................................... 89 3.3.8. A PDP kijelzők ...................................................................................................... 91 3.3.9. A lézer kijelzők ..................................................................................................... 93 2
4.
5. 6. 7.
3
3.3.10. Az OLED kijelzők ................................................................................................. 94 3.3.11. A LED kijelzők ..................................................................................................... 97 3.3.12. Projektorok és a DLP / DMD technikák ............................................................... 98 3.3.13. Összefoglalás ....................................................................................................... 100 3.3.14. A felkészülést segítő kérdések ............................................................................ 103 3.3.15. A fejezet fontosabb kifejezései ............................................................................ 104 3.3.16. Felhasznált irodalom ........................................................................................... 105 Illúzión alapuló technikák, autosztereogramok .......................................................... 105 3.4.1. A korszerű sztereo-szétválasztásos módszerek ................................................... 106 Volumetrikus (térbeli) háromdimenziós technikák .................................................... 107 3.5.1. Statikus, volumetrikus kijelzők ........................................................................... 110 3.5.2. Dinamikus, volumetrikus kijelzők ...................................................................... 111 A háromdimenziós technikák alkalmazási lehetőségei .............................................. 113 3.6.1. Háromdimenziós számítógépes játékok és más szoftverek ................................. 113 3.6.2. Háromdimenziós mozi ........................................................................................ 113 3.6.3. Háromdimenziós televíziózás.............................................................................. 114 3.6.4. Háromdimenziós vizualizáció az iparban és az egészségügyben ........................ 114 3.6.5. A háromdimenziós megjelenítés alkalmazásának lehetőségei ............................ 114 3.6.6. A háromdimenziós megjelenítés távlatai ............................................................ 115 3.6.7. Ellenőrző kérdések az összes fejezethez ............................................................. 116 3.6.8. Felhasznált irodalom a technikai fejezetekhez .................................................... 118 Háromdimenziós tartalmak további létrehozásának lehetőségei ................................ 120 3.7.1. A háromdimenziós technikák és a holográfia ..................................................... 120 3.7.2. Felhasznált irodalom a technikai fejezetekhez .................................................... 123 Opto-mechatronika az űrkutatásban ........................................................................... 123 Jármű-mechatronika trendek .......................................................................................... 124 Központosított szabályozó rendszer ........................................................................... 124 Elosztott szabályozó rendszer..................................................................................... 125 Személygépkocsik ESP rendszerei ............................................................................. 127 4.3.1. Az ESP rendszer részei........................................................................................ 128 Az ESP összetett menetdinamikai szabályozó rendszer ............................................. 129 4.4.1. ESP beavatkozás módja és hatása a közlekedésbiztonságra ............................... 129 Az ESP rendszer bemeneti információi és működése ................................................ 130 Az ESP beavatkozások ............................................................................................... 131 A kipörgés gátló (ASR) .............................................................................................. 132 4.7.1. A kipörgésgátló, az ASR működési elve ............................................................. 133 Hidraulikus fék, ABS, ASR rendszerek ..................................................................... 134 4.8.1. A személygépkocsik hidraulikus fékrendszereinél alkalmazott mechatronikai alkalmazások................................................................................................................... 134 4.8.2. Az üzemi fék rásegítőinek energiaellátása: ......................................................... 134 4.8.3. Villanymotoros vákuumszivattyú ........................................................................ 135 4.8.4. Vezérléssel működő villanymotoros vákuumszivattyú ....................................... 135 4.8.5. Szabályozással működő villanymotoros vákuumszivattyú ................................. 136 Hidraulikus rásegítővel működő fékrendszer ............................................................. 136 A hibrid és villanyautók kétféle fékezési lehetősége: ................................................ 139 4.10.1. Energia visszatáplálásos fékezés ......................................................................... 139 Épület-mechatronika trendek .......................................................................................... 143 Bio-mechatronika trendek ............................................................................................... 143 Agro-mechatronika trendek ............................................................................................ 145
4
1. Bevezetés A mechatronika fogalma
株式会社安川電
A mechatronika szó eredetileg a japán Yaskawa Electric Cooperation (
機
Kabushiki-gaisha Yasukawa Denki) cég 1969-ben bejelentett és 1971-ben jóváhagyott
védjegye, amely kizárólagos tulajdonlásáról a cég 1982-ben lemondott, és így ettől kezdve vált a mechatronika szó közkinccsé. A szó eredetileg magasan automatizált elektromechanikus (szervo) rendszerekre vonatkozott. A szóalkotás annak ellenére követi a japán képírás összetett szavainak képzési szabályait, hogy az idegen szavakat a japán nyelvben nem képírással jegyzik le. A legtöbb japán szó két képkarakterből (kanjiból) áll, és a két szó összetételénél az egyik szó első, a másik szó második képkarakterét teszik össze az új összetett szóban, hogy az is csak két képkarakterből álljon. Így a mechatronika szót a magyar összetett szavak képzési szabályai szerint inkább elektronikus-mechanika szóval helyettesíthetnénk. A szavak sorrendjét azért kellett felcserélni, mert a mechatronika alapvetően a gépészetből fejlődött ki és az elektronika itt jelzőként, mint egy új tulajdonság jelenik meg. A mechatronikai berendezések alapvetően gépek. Ugyanakkor a mechatronika nem csupán egy mechanizmus és mozgató elektronika együttesét jelenti, a mechatronikai rendszerek fontos része a számítógépes irányítás, és így eljutottunk a mechatronika széles körben elfogadott klasszikus ún. EU definíciójához.
Definíció A mechatronika az intelligens gépek tudománya, amely a gépészet, az elktrotechnika és a számítógépes irányítás egymás hatását erősítő (szinergikus) integrációja a termékekben, azok előállításában és tervezésében. (ld. 1-1. ábra)
Elektrotechnika
Elektronikus irányítás
Számítógépes irányítás
Mechatronika Szenzokorok aktuátorok
CAD CIM
Gépészet
5
1-1. ábra A klasszikus mechatronika alapelemei
klasszikusan a mechatronikai eszköz konstrukciós kérdéseivel és a teljes szerkezetével a gépészet foglalkozik, az elektrotechnika gondoskodik a szerkezet mozgatásáról és villamos energia ellátásáról. A számítógépes irányítás feladata a jelfeldolgozás és az automatizált működés biztosítása. Mára a mechatronika fogalma kiszélesedet, így az irodalomban létezik a mechatronikának sok más definíciója is. A definíciók közös eleme a funkciók magas szintű integrációja, illetve az egymás hatását erősítő (idegen szóval szinergikus) hatás, ennek segítségével elérhető a hatékonyabb, optimalizált, egy eddig nem létező új minőség. A mechatronikát szokás az intelligens gépek tudományának is nevezni, és ez a Mechatronics folyóirat alcíme (ld. 1-2. ábra). Ez is arra utal hogy, a mechatronika nem a „semmiből” keletkezett, hanem a gépészet fejlődésének egyenes következménye (ld. 1-3. ábra), hiszen alapvetően mindig az volt a cél, hogy az ember egyre ügyesebb, kisebb és „intelligensebb” berendezéseket hozzon létre, életének és munkájának megkönnyítésére. A mechatronikában alapvetően mindig egy gépről, vagy gépészeti rendszerről van szó, ez áll a középpontban, és ezt kell elektronikával, informatikával (lehet mondani mesterséges intelligenciával) ellátni, felszerelni. Ezért tartoznak a mechatronikai képzések általában a gépészmérnökséghez, és a gépészmérnöki karokhoz.
6
1-2. ábra Mechatronika, az intelligens gépek tudománya
7
< 1900 Tisztán mechanikus rendszerek ◄ Egyenáramú motor 1870 ◄ Váltakozó áramú motor 1889
1920
•
Mechanikus rendszerek elektromos szabályozással ◄ Relék, tekercsek ◄ Hidraulika, pneumatika ◄ Elektronikus erősítők ◄ PI-kontrollerek 1930
1935 •
Mechanikus rendszerek automatikus szabályozással
1955 Mechanikus rendszerek elektronikus (analóg) szabályozással • szekvenciális szabályozással
•
1975 Mechanikus rendszerek
• folyamatos digitális szabályozással • szekvenciális digitális szabályozással 1985
• • • •
Mechatronikus rendszerek mechanika és elektronikus hardver integrációja szoftver által meghatározott funkciók új tervezési eszközök a szimultán tervezéshez egymást segítő és erősítő hatások
Isermann: A GÉPÉSZET FEJLŐDÉSE
Gőzgép 1860 Dinamók 1870 Forgó szivattyúk 1880 Belsőégésű motor 1880 Mechanikus írógép Hagyományos szerszámgépek Villamos hajtású
Elektromos írógép
◄ Tranzisztor 1948 ◄Tirisztor 1955
Gőzturbinák Repülőgép ipar
◄Digitális számítógép 1955 ◄ Folyamat számítógép 1959 ◄ Valós idejű szoftver 1966 ◄ Mikroszámítógép 1971 ◄ Digitális decentralizált automatizálás 1975
Elektronikus vezérlésű felvonók
◄ Mikrokontroller 1978 ◄ Személyi számítógép 1980 ◄ Buszrendszer ◄ Új aktuátorok, szenzorok ◄ A komponensek integrálása
Mechatronics Vol 12.
Számjegyvezérlés ű szerszámgépek Ipari robotok Ipari parkok Lemezmeghajtók
Mobil robotok CIM (Computer Integrated Manufacturing) Mágneses csapágyak Gépkocsi szabályozás (ABS, ESP (Elektronikus Stabilitási Program))
1-3. ábra A gépészet fejlődése Isermann nyomán
A Mechatronika helye a mérnöki tudományokban Az alapvető különbség a mechanikai és a mechatronikai szemlélet között a következő: A gépészeti számítások általában offline történnek a tervezési fázisban és a konstrukciós kérdések vannak az előtérben. A gépészet alapvetően azt vizsgálja, hogy a mechanikai rendszerek (beleértve a hő- és áramlástani rendszereket is), a különböző bemenetekre, gerjesztésekre milyen kimeneten milyen választ adnak (deformáció, sebesség, gyorsulás, hőáram stb.). Ezt 8
mutatja a következő, 1-4. ábra. Az adott rendszer működésének a vizsgálata is a konstrukció szempontjából történik. Az offline számítások az online, illetve real time számításokkal szemben bonyolultabb
összefüggéseket nagyobb pontosságot tesznek lehetővé. A
számítógépek terjedésével a gépészeti tervezések forradalma, a végeselem számítások általánossá válása már a 20. század végén bekövetkezett.
1-4. ábra A gépészet a mechanikai rendszer válaszait konstrukciós szempontok alapján határozza meg a környezetből érkező különböző gerjesztésekre
A mechatronika olyan intelligens gépészeti rendszerekkel foglalkozik, amelyek alkalmazkodni képesek a változó külső környezethez. A működés közben a kimeneten megjelenő jelek (időfüggvények) rendszerint elő vannak írva, például hogy a rendszer adott pontján mekkora legyen az elmozdulás, a hőmérséklet, vagy akármilyen más mechanikai paraméter. A mechatronikai rendszert úgy működtetjük, hogy ezek a célok megvalósuljanak. Ehhez érzékelőkre, mérésre, jelfeldolgozásra, mesterséges intelligenciára, informatikára és a folyamatokba beavatkozó aktuátorokra van szükség, amelyek a hatékonyabb működés érdekében nem külön egységekben, hanem a gépészeti berendezésbe beleintegrálva jelennek meg, sok esetben úgy, hogy az összetevők eredeti határai már nem is ismerhetők fel. A mechatronika tehát magában foglalja a gépészeti konstrukciós tevékenységet is és ez a legfőbb oka, hogy a mechatronikát csak erős gépészeti alapokra építve lehet oktatni, azonban jóval túlmegy azon és a működés valósidejű kézben tartásával is foglalkozik, ezért lehet azt mondani, hogy több, mint puszta gépészet. Ezt mutatja a következő, 1-5. ábra. A valósidejű működés alapvetően más számítási módszereket, enged meg, mint az offline. A valósidejű számítási módszerek forradalma a 21. században kezdődött meg a számítási eszközök (mikrokontroller, DSP, FPGA stb.) rohamos kapacitás növekedésével és árcsökkenésével.
9
1-5. ábra A mechatronika esetében ugyanazon gépészeti rendszernél előírjuk a kimenetet, mert tudjuk, hogy mit akarunk elérni, és a bemeneteket változtatjuk annak érdekében, hogy a kimenet az legyen, amit szeretnénk
Példaként megemlíthetjük Kempelen Farkas sakkautomatáját, amelyet minden bizonnyal egy ember mozgatott belülről. Egy ilyen mechanizmust megépíteni egy szép gépészeti feladat. Az 1-4. ábra szerint a tisztán gépészeti szerkezet bemenő jele az operátor kezének ereje (nyomatéka). A kimenő jele egy bábú elmozdulása. Az operátor valamilyen módon látta, hogy mit lépett az ellenfél. Kigondolta a válaszlépést, és az agya kiadta a parancsot a kézizmoknak, így a mechanizmus segítségével a megfelelő sakkmezőre mozgatta a saját bábuját. Ezt az automatát mindenképp intelligensnek kell neveznünk, mert volt benne egy intelligens ember.
Ez a sakkautomata akkor válik mechatronikai rendszerré, ha az embert is helyettesíteni tudjuk. Kell egy érzékelő, amely valamilyen módon információt szerez az ellenfél lépéséről. Kell egy számítógép, amely kiszámítja, hogy mit kell lépni és azt is ki kell számítani, hogy az adott lépéshez a mechanizmus fogaskerekeit milyen sorrendben és mennyit kell mozgatni. Végül kellenek motorok a megfelelő elektronikával, hogy a kívánt mozgást tényleg elvégezzék. Egy ilyen szerkezetet is joggal nevezünk intelligensnek.
10
1-6. ábra Kempelen Farkas sakkautomatájáról készült illusztráció
Az 1-4. ábran látható gépészeti rendszer általában kézzel fogható, akár szemmel is megfigyelhető (ld. Kempelen Farkas sakkautomatájának belsejét, 1-6. ábra). Ezzel szemben a mechatronikában ezt a kézzel fogható mechanikai rendszert elvont szinte kizárólag villamos jelekkel egészítjük ki. Ha egy mechanikai rendszerbe bepillantunk, akkor pl. láthatjuk a fogaskerekek kapcsolódását és átláthatjuk a mechanizmus működését, és tán azt is érezzük, hogy hol mekkora erők ébrednek. A 1-5. ábran látható folyamatirányítási dobozba bepillantva integrált áramköröket találnánk, ha az integrált áramkörökbe is bepillantanánk, akkor tranzisztorokat láthatnánk, de ebből nem sokat tudnánk meg a közvetített jelekről. Általában elmondhatjuk, hogy a gépészmérnökök által vizsgált fizikai jelenségek sokkal inkább kézzel foghatók, sokkal könnyebben elképzelhetőek, mint a villamosmérnökök által vizsgált jelenségek. Ebből következően az oktatásban a villamosmérnöki tantárgyak több absztrakciót igényelnek, mint a gépészmérnöki tantárgyak. Ugyan akkor a gépészmérnöki tantárgyakban a 11
nem lineáris jelenségek játszanak nagyobb szerepet, kevésbé lehet azokat lineáris megkötések mellett tárgyalni, mint ahogy ezt a villamosmérnöki tárgyakban megtesszük (ld. 1-7. ábra). Tipikus példa lehet villamos feszültségek és áramok, valamint a csőhálózatban kialakuló nyomások és a keringő víz összehasonlítása. Maga a hálózatszámítás a két esetben nagyon hasonló. Egy akkumulátor által táplált zseblámpa izzón áthaladó áram nem annyira kézzel fogható, mint a csőhálózatban szivattyúval keringtetett folyadék. Viszont az ellenállás hálózat számításához lineáris egyenletek általában elegendőek, ezzel szemben a csőhálózatok esetén a legegyszerűbb esetben is számolni kell nem-lineáris jelenségekkel. Sok esetben a valósidejű működtetés igénye miatt is linearizálnunk kell, hogy a rendszerünk valós időben számítható legyen. A mechatronikában szükség van mind az offline konstrukciós gépészeti, mind az absztrakt valósidejű villamosmérnöki szemléletre. A gépészmérnöki szemlélet természetes módon kialakul, mert a mechatronika oktatás a Gépészmérnöki karon folyik, erősebb a tárgyak kereszthatása, ezzel szemben a villamosmérnöki szemlélet kialakítására különös gondot kell fordítani, az absztrakt gondolkodás elsajátítása nagyobb energiákat követel a hallgatóktól.
Elvont (absztrakt) leírás
Matematika tantárgyak
Absztrakció
Rendszertechnika tantárgy Villamosmérnöki tantárgyak Online működtetés
Kézzel fogható, mindennapi tapasztalás, Lineáris jelenségek
Mechatronikamérnöki tantárgyak
Numerikus módszerek, Szimuláció, Végeselem tantárgyak
Gépészmérnöki tantárgyak Offline tervezés Nem-lineáris jelleg
Nemlineáris jelenségek
1-7. ábra A rendszertechnika tantárgy helye a mérnöki tantárgyak között
A gépész és villamos megközelítés különbségére próbál rávilágítani a következő konkrét példa. Tekintsünk egy robotot. Amikor egy gépészmérnök megtervez egy robotkart, akkor pl. egy 12
üzemállapotban kíváncsi lehet arra, hogy a robotkarban milyen erők ébrednek, hol kell törésre számítani, ennek megfelelően hol kell megerősíteni a szerkezetet. Vagy épp ellenkezőleg, hol nagyon kicsi az igénybevétel, hol lehet anyagot megtakarítani, kikönnyíteni a szerkezetet. Egy ilyen számításnál az a cél, hogy minél pontosabb legyen és kevésbé fontos, hogy mennyi ideig tart maga a számítás. Teljesen elfogadható, hogy egy üzemállapot kiszámítása akár órákba teljen. Ezzel szemben a robot irányításakor pl. az a cél, hogy a robot megfogója egyenes vonalban mozogjon. Ezredmásodpercenként mérjük a robot megfogójának a pozícióját, és a mérési eredmény alapján tervezzük meg, hogy mekkora legyen a mozgató motorok nyomatéka. Ideális esetben pontosan ki tudnánk számítani, hogy mekkora nyomatékot kell leadnia az egyes mozgató motoroknak ahhoz, hogy a következő mintavételi időpontban a robot pontosan az előírt pozícióba kerüljön. A problémát az jelenti, hogy ennek kiszámítása több időt vesz igénybe, mint a mintavételi idő. Egy abszurd esetben egy óra számolás után pontosan megtudjuk, hogy egy órával ezelőtt mit kellett volna tennünk. Közben a robotkar kárt okozott a környezetében, mert túl hosszan vártunk a számítás pontos eredményére. A pontos számításnak az is korlátot szab, hogy sok mindent nem tudunk pontosan. A robotkar irányításakor teljesen más jellegű szemléletre és egyenletekre van szükség, mint a robotkar mechanikájának megtervezéséhez. Ha ezredmásodpercenként mérünk, akkor a mérés után tízezred másodpercen belül ki kell adni a parancsot, konkrétan megfelelő feszültséget kell a robotkar mozgató motorjaira kapcsolni, hogy a motor a szükséges nyomatékot fejtse ki az egyes kartagokra és az a kívánt módon mozogjon. Ebben az esetben a pontosságnál fontosabb a gyorsaság. A pontatlanságot azzal kompenzáljuk, hogy állandóan visszaellenőrizzük, hogy a robotkar merre halad, és állandóan korrigáljuk a mozgását.
1.2.1.
Fizikai hatások és jelek komponensekre bontása
A mérnöki számításokat gyakran úgy egyszerűsítjük le, hogy a számítandó mennyiséget komponensekre bontjuk. Erők esetén egy merőleges koordinátarendszer kiválasztása és a erők merőleges komponensekre bontása nagyon szemléletes és középiskolás tananyag, mindenki könnyen el tudja képzelni (ld. 1-8. ábra). Az 1-5. ábrán látható jeleket is komponensekre lehet bontani. Későbbi tanulmányainkban látni fogjuk, hogy az időfüggvények a frekvencia- és Laplace-operátor tartományban bonthatók komponensekre. Ehhez egy végtelen dimenziójú Hilbert térben kell egy ortonormált bázist kiválasztani és az időfüggvényt egy általánosított skaláris szorzással levetíteni a bázisra. A valós függvények végtelen dimenziós terét is nehéz elképzelni, de a komplex fügvények komplex tere szinte minden szemléletességet elveszít, és e
13
fogalmak kezelése egyrészt olyan absztrakciót igényel, amely nehezen építhető a korábbi mindennapi tapasztalatokra, másrészt olyan matematikai ismeretekre alapul, amelyek középiskolában nem tanítanak. A mechatronikamérnökké válás egyik fontos lépése a frekvencia-, illetve Laplace-operátor tartománybeli gondolkodás elsajátítása.
1-8. ábra Az erők komponensekre bontása
1.2.2.
Analitikus és numerikus modellek
A mérnöki tudományokban egy komoly szemléletváltásnak lehetünk tanúi. Korábban egy probléma egzakt megoldásának azt tekintettük, ha matematikailag zárt alakú megoldást tudtunk előállítani. Ennek az az előnye, hogy a zárt alakú képletből kiolvasható, hogy az egyes paraméterek vagy külső hatások hogyan befolyásolják az egész rendszer működését. A hátránya az, hogy a zárt alakú megoldáshoz nagyon sok egyszerűsítést és elhanyagolást kell bevezetnünk. Napjainkban a mérnöki területen egyre nagyobb szerepet játszanak a numerikus módszerek, ezek olyan jelenségeket is figyelembe tudnak venni, amelyek az analitikus modellt annyira elbonyolítanák, hogy az úgy már kezelhetetlenné válna. Egyre inkább elfogadott, hogy egy rendszer működőképességét numerikus szimuláció igazolja. Teljesen természetes, hogy egy összetett új berendezés tervezése a szimulációs modell elkészítésével kezdődik. Bármiféle hardver megépítésére csak akkor gondolunk, ha a szimuláció biztató eredményeket mutat. A numerikus modell hátránya, hogy minden lényeges üzemállapotot végig kell számolni. Csak azokról az üzemállapotról tudunk nyilatkozni, amelyeket végigszámoltunk. A szimulációs modell elkészítését a rendszertechnikai elemzés előzi meg. Összefoglalva az analitikus modell általában egyszerűsített, de mélyebb összefüggéseket is megmutat. A numerikus modell részletesebb, közelebb áll a valósághoz, de nehezebb a mélyebb összefüggéseket feltárni.
1.2.3. 14
Mechatronika, mint szemlélet
Napjainkra világossá vált, hogy a mechatronika inkább tekinthető korszerű mérnöki személetmódnak, mint külön tudományágnak, hiszen legalább három tudományterület integrációját jelenti. A mechatronika klasszikus „automatizált precíziós gép” jelentése az elmúlt 40 évben jelentősen kiszélesedett és a mechatronikának újabb és újabb ágai jelentek meg. A teljesség igénye nélkül néhány jelentősebb ága a mechatronikának.
1.2.4.
Klasszikus-mechatronika (automatizált precíziós gépek, robotika)
A klasszikus mechatronika klasszikus irányai sem veszítenek a jelentőségükből, de az automatizálás és a robotika egyre újabb területeket hódít meg, és ez újabb érdekes kutatásokat indít el. A robotika korábban a nagyszériás gyártásnál volt kifizetődő. Ahhoz, hogy a robotok megjelenhessenek a kis és közepes vállalatoknál, leginkább a robotok programozását kell leegyszerűsíteni. Alapvetően új kihívásokat jelent, ha a robotok megjelennek majd az egészségügyben és az otthonainkban.
1.2.5.
Opto-mechatronika
Ide tartozik az új, teljesen automatikus fényképezőgép, videofelvevő, továbbá CD lejátszó egység. 2D és 3D szkennerek. Jelentősége egyre növekszik. Sokan azt mondják, hogy azt a forradalmi változást, amelyet a 20. században a villamosság indított el, a 21. században a lézerek hozzák majd el. A lézerek előállítása a fizikusok dolga, de nagyon leegyszerűsítve szinte minden, ami utána következik, már igényelhet opto-mechatronika ismereteket.
1.2.6.
Jármű-mechatronika
A járműipar mind volumenében, mind az innováció tekintetében húzóágnak tekintendő az ország gazdasági életében. Klasszikusan a járműgyártás indította el az ipari robotok széleskörű alkalmazását, de napjainkban a gépjárműveket önmagukban mechatronikai terméknek kell tekinteni. Egy luxus autóban az egyetlen belsőégésű motor mellett akár száznál is több kényelmet segítő villamos motort találunk. Az optimális működés felett fedélzeti számítógép őrködik. A gáz és fékpedál egyre inkább csak jeleket közvetít, esetenként bonyolult ABS, ASR, ESP stb. rendszereket aktivál. Általában a gépjárművek aktív biztonsági rendszerei a mechatronika körébe tartoznak. Hamarosan el jön az idő, amikor a kormánykerék sem lesz közvetlen mechanikai kapcsolatban a kormányzott kerekekkel.
15
1.2.7.
Épület-mechatronika
Az automatizálás és az intelligens működési mód az épületeket sem kerülhetik el. Számítógéppel
vezérelt
szellőztetető,
hőcserélő
vagy
hőszivattyú
rendszerek
az
épületmechatronikának fontos elemei. Az épületmechatronika a definíció szerint az épületautomatizálás, épületfelügyelet és az épületekben alkalmazott biztonságtechnika uniója. A témában az elméleti és gyakorlati kutatások kiterjednek az épületgépészeti rendszerek automatizálására, az automatizálás épületinformatikai támogatására és az épületfelügyeleti és biztonságtechnikai rendszerek integrálására. Ha az épület automatikusan, azaz emberi beavatkozás nélkül, vagy csak minimálisan szükséges emberi beavatkozással képes ellátni feladatait intelligens épületnek nevezzük.
1.2.8.
Bio-mechatronika
Az Bio-mechatronika két önmagában is dinamikusan fejlődő területet egyesít és további részterületekre bontható. Az egyik ágának célja, hogy mérnöki ismereteket egészségügyi elméleti és gyakorlati tudással kiegészítve interdiszciplináris területként hidat jelentsen a mérnökök és az orvosok között. A mechatronikamérnökök
a
széleskörű
mechatronikai
ismereteiket
az
orvosi,
természettudományos, orvostechnikában alkalmazható anyagokra vonatkozó ismereteikkel kiegészítve jól tudják kamatoztatni tervezői és kutatási feladatok ellátásakor mind mérnöki, mind egészségügyi profilú munkahelyeken. A biológiailag inspirált rendszerek egyre inkább önálló ágnak tekinthetők. A természetben található megoldások jól alkalmazhatók a mérnöki tervezéskor. A harkályt az agyrázkódástól egy nagyon ötletes módon védi meg a természet és ez volt az alapja az egyik leghatékonyabb mérnöki rezgéscsillapító rendszernek. Biológiai minták szolgálnak arra, hogy miként viselkedjen egy robot, ha be kell illeszkedni az emberi társadalomba.
1.2.9.
Agro-mechatronika
Az automatizálás igénye a mezőgazdaságban is erőteljes. Jelenleg ezen a területen a legnagyobb a kézi munkaerő alkalmazása, mert az ipari környezethez képest a mezőgazdasági kézi munkánál nagy fokú adaptivitásra van szükség. Egy összeszerelő üzemben a futószalagon az alkatrések pontos ütemezéssel és jól meghatározott pozícióban érkeznek, ezért könnyű robotizálni. Ugyanakkor pl. egy gyümölcsszedő robotnak először a változó méretű, változó helyzetű (esetleg levelektől takarásban lévő) gyümölcsöt kell felismerni, majd megtervezni a 16
gyümölcs elérési útját. A permetezés hatékonysága is jelentősen növelhető, ha adaptívan a szórófej érzékeli, hogy hol sűrűbb és hol ritkább a növényzet. Ez a terület várhatóan komoly változások, pontosabban fejlődés előtt áll. A mechatronika fontos alkalmazási területévé válhat.
Mechatronikai mérnöki alapszak célkitűzése a hivatalos 2014. évi tájékoztató füzet alapján A mechatronikai mérnökök olyan műszaki szakemberek, akik az általános gépészeti feladatok ellátása mellett a finommechanika, az elektronika és az elektronikus érzékelés és vezérléstechnika integrációja -vagyis a mechatronika- területén is képesek tervezési és kutatásfejlesztési részfeladatok megoldására. Az alapszakon végzettek a képzés során komplex természettudományos ismereteket sajátítanak el a matematika, fizika, mérnöki anyagok, elektrotechnika, méréselmélet területéről. A szakmai törzsanyag részeként olyan tanegységekkel találkoznak, mint az elektronikai alkatrészek, áramkörök, elektronikai rendszerek, elektronikai tervezési és gyártási technológiák, gépészeti alapismeretek,
gépelemek,
gyártástechnológia, mechatronikai
mechanizmusok,
informatika,
ismeretek,
gépészeti
algoritmizálás,
robottechnika,
szerkezetek,
programozási
automatizálás,
anyag-
ismeretek,
komplex
és
speciális
berendezések.
A
mechatronikai mérnöki képzés gazdasági és humán ismeretekkel is kiegészül: ennek keretében a
hallgatók
közgazdaságtani,
környezetvédelmi,
minőségbiztosítási,
szaknyelvi,
társadalomtudományi ismereteket szereznek. Az alapszakon végzettek természettudományi, szakmai és gazdasági ismeretek birtokában alkalmasak lesznek mechatronikai eszközök, berendezések felhasználásán alapuló gyártási, szerelési, minőségszabályozási folyamatok felügyeletére és irányítására, egyszerűbb mechatronikai szerkezetek tervezésére, valamint mechatronikai rendszerek üzemeltetésére és karbantartására. A mechatronikai mérnökök előtt számos megoldandó feladat állhat. Képzettségük alkalmassá teszi őket az elektronikai, gépészeti és informatikai szakterület ismereteinek integrálására, komplex
rendszerek
(szerszámgépek,
globális
robotok,
tervezésére,
manipulátorok,
a
gyártásautomatizálás
berendezéseinek
CNC
programozására,
szerelőkészülékek)
járműveken alkalmazott érzékelők és beavatkozó szervek programozására, felülvizsgálatára, optomechatronikai, biomechatronikai berendezések, műszerek tervezésére és gyártására, az elektronikai gyártás mechatronikai folyamatainak tervezésére, felügyeletére és irányítására, munkavédelmi feladatok megoldására. 17
A mechatronikai mérnököknek munkájuk ellátásához elengedhetetlen szükségük van innovatív gondolkodásra, amely képessé teszi őket a tudomány és a technika fejlődési eredményeinek önálló követésére.
A Mechatronika alapjai tananyag célkitűzése Olyan tudást kívánunk a hallgatóinknak átadni, amelynek egy részét a végzés után közvetlenül alkalmazni tudnak. Ha a hallgatóink csak azokat a technológiákat tanulják, amelyet az ipar ma használ, akkor gyakorlatilag a végzés után a fejlődés gátjaivá válnának. Az iparban a fejlesztők állandóan a határidők szorításában vannak, és ezért igyekeznek megmaradni a jól bevált tec vannak, és de a tudásuk egy része majd 10-20 év múlva lesz alkalmazható, ám addig is ők lesznek a fejlett ipar hajtóerői.
Nem elég a ma kihívásaira felkészíteni a hallgatókat, nekik a diplomájukat 20-30-40 akár 50 év múlva is használniuk kell
Fejlett Ipari Kutatások
Kutatások az elit egyetemeken 10-20 év
1-9. ábra Az elit egyetemeknek a fejlett ipar számára is húzóerőnek kell lennie
A Mechatronika alapjai tananyag célja az, hogy a középiskolai oktatás után megalapozzon egy mérnöki és azon belül is mechatronika mérnöki szemléletet. A szemlélet elsajátítása mindig nehéz feladat és hosszabb időt igényel, így ez a tárgy is csak az első lépés ezen az úton. A mechatronika fontos jellemzője az építő elemek rendszer szintű integrációja, ezért külünösen fontos egy mály alapokon nyugvó rendszerszemlélet elsajátítása.
A rendszertechnika tananyag a mérnöki tárgyak közé sorolandó, és ezért a nyelvezete is mérnöki, amely hasonlítható a C++ nyelvhez a programozási nyelvek között. Az egzakt matematikát tekinthetjük a gépi kódhoz hasonlónak. Végül is ez mindennek az alapja, a 18
számítógép igazán csak ezt érti, de a gépi kódban nagyon nehéz programozni, és csak nagyon kevés elvetemült ember képes rá. Hasonlóan az igazi matematikát is az emberi populációnak csak nagyon kis hányada képes elsajátítani. Ez így volt a múltban és feltehetően így lesz a jövőben. A számítógép felhasználók többsége magas szintű programozási nyelvet használ, és a többség a matematikát is messze elkerüli. A gépi kód és a magas szintű programozási nyelvek viszonylag éles szétválasztása sokáig jól működött, de megjelent az igény egy minden szintet átfogó programozási nyelvre, és létrejött a C++. Az objektum orientáltság (a ++) a legmagasabb szintet jelenti, ugyanakkor a C nyelv megengedi a gépközeli programozást. Ez persze továbbra sem gépi kód, de közel áll ahhoz. Hasonlóan a rendszertechnika egy átfogó magas szintű mérnöki szemléletet is közvetít és nem a tiszta matematika nyelvén íródott, de bizonyos részei közel állnak ahhoz.
Az iparosodással egyre nagyobb mértékűvé vált a szakmák specializációja és azt mondták, hogy a polihisztorok kora lejárt. A mérnöki terület is sok részre bomlott, de napjaikban egyre fontosabb szerepet játszik az integrált tudás (ld. mechatronika). A bonyolult rendszereket egészként is át kell látni és egy ilyen gondolkodásmódot alapoz meg a rendszertechnika tárgy. Ugyanakkor a matematikát is egyre szélesebb körnek kell napi rutin szerint használni (talán szélesebb körnek, mint aki képes a matematikát magas szinten elsajátítani), így szükséges egy új, matematikához közeli mérnöki nyelvezet megalkotása.
1-10. ábra Átfogó integrált tudás szüksége
19
A világ folyamatosan változik. Volt olyan időszak, amikor a tömegtermelés kicsit elnyomta a mérnökök matematika iránti igényét. A 21. században ismét olyan időket élünk, amikor a matematikatudás a mérnöki munkában felértékelődik. Az ún. hightech (repülőgép, robot, alakfelismerés stb.) matematika igénye talán közismert. Ahhoz, hogy a humanoid robotok most még furcsa járásán csiszoljunk, és pl. megtanítsuk őket balettozni, az irányítási algoritmusok matematikai mélységeit kell növelni. De a matematikai algoritmusok továbbfejlesztése kell ahhoz, hogy a robot a képi információ alapján fel tudja ismerni, hogy mi történik körülötte. De ki gondolná, hogy a liftekben a hangtalan és gyors működés érdekében egy egyszerű behúzó mágnes (amelyiknek az a feladata, hogy a liftszekrényt rögzítse, ha megáll egy emeleten) mellé is néha odatesznek egy mikroprocesszort, amelyik a mágnes differenciálegyenletét folyamatosan számítva gondoskodik az optimális működésről. Régen a tekercsre rákapcsolták a feszültséget, és az áram által keltett mágneses tér végezte a dolgát, persze közben mi hallottunk egy csattanást, amikor a liftszekrényt rögzítő fémpofák felütköztek a tartókeretre. Most tranzisztorok kapcsolgatásával az áramot és ezen keresztül a rögzítő fémpofák mozgását folyamatosan kézben tartjuk és nincs ütközési hang, de ehhez folyamatosan számolni kell a szerkezet differenciálegyenletét. Ez nem lenne bonyolult, ha minden paramétert pontosan tudnánk, de valamilyen mértékű paraméter bizonytalanság mindig van, ráadásul több paraméter változik a működés közben, ezért mérésekből a differenciálegyenlet paramétereit is folyamatosan becsülni kell, és korábban nagyon egyszerűnek számító tervezési rutinfeladatból egy egész komoly matematikai probléma kerekedett. Az elektronika és a mikroprocesszorok ára annyira lecsökkent, hogy egészen hétköznapi olcsó (tömegtermeléssel gyártott) eszközökben
is
megjelenhetnek
a
bonyolultabb
matematikai
algoritmusok.
A
differenciálegyenletekre a mindennapos mérnöki gyakorlatban is szükség lehet, és megszűnőben van az a helyzet, amikor matematikára igazán csak a mérnök társadalom elitrétegének volt szüksége. Hidat kell építeni a matematika és a mérnöki tudományok között, és ennek a hídnak a legfontosabb eleme a rendszertechnika tárgy.
A Mechatronika alapjai tananyag célja az, hogy felkeltse az érdeklődést arra, hogy a különböző fizikai jelenségeket, műszaki objektumok működését, miként lehetne egy egységesített matematikai eszköztárral leírni, hogy feltáruljon a teljesen különböző fizikai jelenségek és műszaki objektumok működésbeli hasonlósága. Természetesen, a szükséges matematikai eszközök még nem állnak rendelkezésre, de megkönnyíti a matematika tanulását, ha előre látható, hogy mire fogjuk később használni. A működésbeli hasonlóságok alapján a fizikai jelenségek és a műszaki objektumok a konkrét megjelenésüktől függetlenül kategorizálhatók. 20
Ez azzal az előnnyel jár, hogy az azonos kategóriába tartozó, egymástól teljesen eltérő fizikai jelenségeknek, műszaki objektumok működésének akár passzív elemzésekor vagy akár a működés aktív szabályozásakor a konkrét objektumtól független, általános matematikai módszerek lesznek alkalmazhatók. Gyakori eset, hogy egy műszaki részterületen pl. a villamos áramkörök számítására kidolgoznak egy matematikai eljárást és azt egy más területen. pl. mágneses körök számítására, csőhálózatokban folyadékáramok leírására vagy hőtani problémákra alkalmazzák. Az impedancia fogalma leginkább az áramkörök számításánál fordul elő, de használatos a robotok erőszabályozásánál is. Ezek a példák bizonyítják legjobban a rendszerszemlélet létjogosultságát. E tananyagban olyan matematikai technikák ígényét kívánunk felkelteni, amelyek a mérnöki gyakorlatban előforduló bizonyos típusú problémák megoldását segítik.
E tananyag felépítése a következő. Először a mechatronika legfontosabb irányait és aktuális trendjeit tekintjük át. Végül arra próbálunk rávilágítani, hogy a mérnöki gyakorlatban előforduló fizikai jelenségek leírásához milyen matematikai szükségesek, és ezzel a későbbi tárgyakat vetítjük elő. A mérnöki munkának sokszor kulcseleme a fizikai valóság és az elvont matematika közötti kapcsolat megteremtése. A tananyag törekszik arra, hogy mind a két oldalról rávilágítson erre a kapcsolatra. Pl. ha egy matematikai képletben mód van egyfajta egyszerűsítésre, akkor annak mi lehet a fizikai háttere, és fordítva, a fizikai modell megváltoztatása milyen matematikai következménnyel járhat. Mivel a célunk az, hogy a mérnökök kezébe a mérnöki gyakorlatban használható matematikai eszközöket adjunk, ezért a matematikai tárgyalásban olyan mélységig ásunk le, amely mélység szükséges az adott eszköz pontos használatához, az alkalmazás feltételeinek és korlátainak megértéséhez. Ahogy egy lézeres távolságmérő használati útmutatójában sem mellékelik a teljes lézerfizikai hátteret, úgy terjedelmi okokból itt sincs mód arra, hogy minden érintett matematikai területet (pl. lineáris algebra, valós és komplex függvénytan, közönséges és parciális differenciálegyenletek elmélete, funkcionálanalízis, mértékelmélet, disztribúcióelmélet, gráfelmélet, stb.) az alapoktól kezdve részletesen leírjunk. Ha ezt megtennénk, akkor ez a tananyag sok ezer oldalasra duzzadna, és azért válna kezelhetetlenné. Általában azt feltételezzük, hogy az olvasó ismeri a mérnöki alapképzésben oktatott matematikát. Az ezen túlmutató matematikai ismereteket megpróbáljuk egzakt, de egyszerűsített formában, a lényeget kiemelve leírni és a részletes bizonyításokat és levezetéseket mellőzzük. A rendszertechnika tantárgy a mérnöki tantárgyak közé tartozik, de nagyon közel áll a matematika tantárgyakhoz, mivel a legtöbb mérnöki tantárgynál jelentősebb absztrakciót 21
igényel, és bizonyos értelemben közelebb áll sok villamosmérnöki tantárgyhoz, mivel a villamosmérnöki tantárgyak is több absztrakciót igényelnek, mint a gépészmérnöki tantárgyak.
2. Robotikai Trendek Bevezetés Az elmúlt évek során egyre nagyobb igény volt az ipar részéről, hogy olyan gépeket, berendezéseket alkalmazzanak, amelyek segítségével meggyorsíthatják és automatizálják a termelést, képesek több, akár komplex feladatot pontosan és rövid idő alatt elvégezni. Ez az igény a mai napig átjárja a robotikai fejlesztéseket, a cél, hogy univerzális robotokat fejlesszünk, amelyek gyorsabbak és pontosabbak, mint a korábbi modelljeik. A mai ipari robotok összetett mechanikai-elektronikai rendszerek, amelyek a legkülönbözőbb ipari folyamatokban kapnak helyet, mint embert helyettesítő munkaerő. Tekintettel arra, hogy az ipari robotok komplex műszaki alkotások, a korábban egymástól viszonylag függetlenül fejlődő egyes műszaki tudományágak az ipari robotok megjelenésével és elterjedésével igen szorosan összefonódtak. Ez a folyamat oda vezetett, hogy egy-két évtizeddel ezelőtt a legfejlettebb ipari országokban deklarálták egy új műszaki tudományág, a robotika megszületését. Eszerint a robotika olyan interdiszciplináris tudományág, melyben a mechanika, hidraulika, pneumatika, elektrotechnika, irányítástechnika, elektronika, számítástechnika egyes részterületei ötvöződnek. Az eddigiekből az is következik, hogy minden olyan szakember, aki ipari robotok tervezésével, gyártásával, üzembeállításával, alkalmazásával, programozásával, illetve vizsgálatával kíván foglalkozni, meghatározott szintű ismeretekkel kell, hogy rendelkeznie a korábban felsorolt tudományterületek közül, azaz valamennyiről, hanem is egyenlő mértékben. Jelen jegyzet célkitűzései között szerepel, hogy előkészítse a robotok irányításával és szabályozásával foglalkozó tantárgyakat. A jegyzet tematikáját illetően a robotok mechanikai leírásához szükséges eszközöket tárgyalja, hogy alaposan megismerjük az ipari robotok működését, és modellezésük lehetőségeit. A jegyzet megírása során igyekeztünk mindvégig azonosulni a robotika többé-kevésbé már kialakult szemléletmódjával. Tekintsük most át röviden, milyen főbb részegységekből épül fel egy korszerű ipari robot.
22
2.1.1. A robot definíciója A robot elektromechanikai szerkezet, amely előzetes programozás alapján képes különböző feladatok végrehajtására. Lehet közvetlen emberi irányítás alatt, de önállóan is végezheti a munkáját egy számítógép felügyeletére bízva.
2.1.2. A robotok fontosabb részegységei és feladatai Alapvetően minden ipari robot feladata, hogy meghatározott munkafolyamatok elvégzése érdekében bizonyos mozgásokat végezzen a térben, szükség van egy (többé-kevésbé bonyolult) mechanizmusra, amelyet a legkülönbözőbb irányokba lehet mozgatni, és amely jelentősebb deformáció nélkül elviseli az üzemelés közben fellépő erőhatásokat. Ez a mechanikai váz funkcióját tekintve leginkább az emberi törzs, kar és kéz csontrendszeréhez hasonlítható. Természetesen bonyolult térbeli mozgásokra csak akkor van lehetőség, ha a mechanikai váz egyes elemeinek egymáshoz viszonyított elmozdulása biztosított. Az elmozdulást az embernél ízületek, a robotoknál csuklók teszik lehetővé. Például a robot mechanikai vázának egyes elemeit kartagnak (angolul: link), illetőleg a kartagok közti elmozdulást lehetővé tevő elemet egységesen csuklónak nevezzük (angolul: joint), tekintet nélkül arra, hogy az elcsúszást vagy elfordulást tesz lehetővé. Logikusan tovább gondolkozva a következő szerkezeti egység a csuklókban (esetleg másutt) elhelyezett meghajtó, vagy beavatkozó egység (angolul: actuator), amelyet fonetikusan írva a magyar terminus technikus is aktuátornak nevez. Működési mód szerint osztályozva megkülönböztetünk hidraulikus, pneumatikus és villamos hajtású robotokat. Az utóbbiak nagy előnye a tisztaság, egyszerűség, könnyű irányíthatóság és gazdaságos energiaátalakítás, azonban a nagy üzemi terheléssel dolgozó robotoknál a hidraulikus hajtási mód dominál. A beavatkozó szerveket leginkább az emberi izomrendszeréhez hasonlíthatók. A következő fontos részegység az irányítóegység (angolul: control unit), amely a robot egyes csuklóinak (ezáltal kartagjainak) célirányosan összerendezett mozgását teszi lehetővé. Ezt az egységet az emberi agy mozgásközpontjához hasonlíthatjuk. A műszaki gyakorlatban a megoldások a csuklónként önálló egyszerű analóg szabályozóktól a legbonyolultabb számítógépes megoldásokig terjednek. Az eddig felsorolt részegységek lényegében minden ipari robotnál megtalálhatók. A legfejlettebb robotok a fentieken túlmenően még különböző bonyolultsági fokú érzékelő (angolul: sensor, hasonlóan a beavatkozó szerv angol megfelelőjéhez, az érzékelőt is szoktuk szenzornak nevezni) rendszerekkel is rendelkeznek, melyek képessé teszik a robotot arra, hogy
23
a külvilágból érkező információkat érzékeljék, feldolgozzák, és – egyes esetekben valamilyen döntési folyamat eredményeként – működésüket, vagy akár mozgásukat is korrigálják. A most felvázolt négy fő terület közül (mechanizmusok, hajtások, irányítások, érzékelők) alapvetően a robotmechanizmusok témakörével fogunk foglalkozni, azonban egyes estekben utalva a többi területtel való kapcsolatra is. A továbbiakban tekintsük át, milyen főbb feladattípusokkal találkozhatunk a robotok alkalmazási területein. A legegyszerűbb közé tartoznak a különböző rakodási, palettázási feladatok (angolul: pick and place, azaz „fogd meg és rakd le valahova”). Ilyenkor a cél többnyire csupán az, hogy bizonyos alkotórészeket, munkadarabokat a robot valahonnan valahová átrakjon egy a feladatra alkalmas robotkéz vagy megfogó (angolul: hand, gripper, end effector) segítségével. Ezen feladat során elegendő csupán a kiindulási és a véghelyzetet definiálni, egyébként érdektelen, hogy e két pont között milyen pályán mozgatja a robot a munkadarabot, sőt sok esetben még annak sincs jelentősége, hogy a tárgy egy adott helyen (pl. szállítószalagon) milyen helyzetet vesz fel, vagyis egyes esetekben a munkadarab orientációja is tetszőleges lehet. (Az előtanulmányokból ismert, hogy egy merev test térbeli elhelyezkedésének egyértelmű megadásához általános esetben hat független paraméterre van szükség, ezek közül három a pozíciót, három pedig az orientációt írja le.) A következő feladattípus az, amikor a robot valamilyen munkadarabot vagy szerszámot szakaszosan mozgat úgy, hogy közben több, esetleg igen nagyszámú térbeli pontot feltétlenül érintenie kell (pl. ponthegesztés), míg az egyes pontok közötti mozgás pályája csupán másodlagos jelentésű. A magyar szakirodalom ezt a robotirányítási módot – talán nem a legszerencsésebb – pontvezérlésnek nevezi, az angol terminológia point-to-point control-nak, amit igen elterjedten PTP-nek rövidítenek. A minőségileg legmagasabb követelmény akkor adódik, ha a robot mozgása során valamilyen (esetleg előre nem is ismert) tér- vagy síkgörbe mentén kell, hogy haladjon, azaz az előírt pályát a robotnak követnie kell. Természetesen a pályakövetés igénye nemcsak a pozíció, hanem az orientáció vonatkozásában is fennállhat. Az irányításnak ezt a módját pályavezérlésnek szokás nevezni (angolul: continous path control, CP). Pusztán vezérlési megoldásról ilyenkor nyilvánvalóan szó sem lehet, hiszen a pályakövetési feladat csak az aktuális pozíció és orientáció (sőt számos esetben erők és nyomatékok) folyamatos érzékelésével és visszacsatolásával, vagyis zárt szabályozási hurkok kialakításával valósítható meg. A mai ipari robotok elsősorban két, korábban is már művelt technikai ágból nőttek ki. A robotika egyik „őse” a számjegyvezérlésű (angolul: numerical control, NC) szerszámgépek technikája volt. Ez teremtette meg az alapot egyrészt a nagy pontosságú, precíz mozgások 24
megvalósításához, másrészt a robotok programvezérléséhez (irányításához). A mai robotok másik elődje a már évtizedekkel korábban alkalmazott távirányítású manipulátor, vagy más néven teleoperátor volt, amely emberi kar-és kézmozdulatokat imitálva, közvetlen emberi irányítással és megfigyeléssel végzett olyan feladatokat, melyek vagy jelentős erőkifejtést igényeltek, vagy pedig ember számára veszélyesek vagy nehezen hozzáférhetőek voltak. E két technika előnyeit egyesítve születtek meg az ötvenes évek közepe táján az első olyan szerkezetek, amelyekre már ráillik az „ipari robot” elnevezés. Ezek egyszerű (pl. pick and place feladatok) feladatatok elvégzésére alkalmas, mai szemmel nézve primitív (ún. mátrix-steckdugó) módszerrel programozható, önműködő manipulátorok voltak. Itt kell említést tenni arról, hogy az ipari robot fogalmának meghatározása az egyes országokban ma sem teljesen egységes. Japánban például sokáig a legegyszerűbb célmanipulátorok is robotnak nevezték, ami azt eredményezte, hogy a statisztikák kiugróan nagy számokat közöltek a Japánban üzemelő robotok mennyiségére vonatkozóan. A legáltalánosabb felfogás szerint ipari robotnak nevezünk minden olyan több (általában hat) szabadságfokú manipulátort, amely egy meghatározott munkatéren belül tetszőleges pozíciót és orientációt felvehet, (hardver és/vagy szoftver eszközökkel) tetszés szerint bármikor újraprogramozható, a beprogramozott műveletsort elvben tetszés szerinti számban egymás után önműködően képes végrehajtani, ezáltal a legkülönfélébb munkafolyamatok elvégzésére alkalmas.
2.1.3. A robotirányítás mechanikai alapjai Már a bevezetőben is utaltunk arra, hogy a robotok – bármennyire is komplex műszaki alkotásnak tekinthetőek – elsődlegesen gépek, vagyis mechanikai szerkezetek. Ezért a felmerülő különféle irányítástechnikai feladatok kivitelezéséhez alapvetően az ipari robotok konstrukcióinak mechanikai modelljére van szükségünk. A legalapvetőbb feladat az, hogy a robotkezet egy folytonos (vagy diszkrét) térbeli pontsorozaton végigvezessük, miközben az orientációt kifejező koordináták folytonosan (vagy diszkrét értékeket felvéve) változhatnak. A pozíció és orientáció időpillanatról időpillanatra történő előírása azonban még távolról sem jelenti a feladat (mechanikai szempontból vett) teljes értékű leírását, hiszen ugyanilyen lényeges a sebességek és szögsebességek, valamint a gyorsulások és szöggyorsulások figyelembe vétele is. Az ipari robotok működését többféle paraméter is befolyásolja, legyen az pl. a beavatkozó szervek teljesítménye, vagy a geometriai kialakítása, mégis egy ipari robot felhasználhatóságát
25
leginkább a szabadságfokainak száma korlátozza. Hiszen minél több az adott robot szabadsági fokainak a száma, annál több féle feladat ellátására alkalmas. Az univerzális robotok általában hat szabadságfokúak, így egy adott munkatéren belül tetszőleges pozíció és orientáció megvalósítására alkalmasak. Léteznek hatnál több szabadságfokú, ún. redundáns robotok is, ezek egy adott pozíciót és orientációt végtelen sokféle konfigurációban meg tudnak valósítani (az emberi kar is ilyen „redundáns manipulátor”-nak tekinthető). A redundáns robotokat rendkívül jó lehet alkalmazni pl. olyan pályakövetési feladatokban, amelynek során a valamilyen akadályt kell kikerülni a robotnak.
2.1.4. Robotok geometriai és kinematikai jellemzése A bevezetőben elmondottak alapján a robotok csuklókkal összekapcsolódó kartagokból álló mechanikai rendszerek. Jelen jegyzeten belül csak olyan robotstruktúrákkal foglalkozunk, melyekben minden csukló csakis két kartagot kapcsol össze, vagyis a kartagok egymásutánja ún. nyílt kinematikai láncot alkot. Ellenkező esetben zárt kinematikai láncú, vagy párhuzamos működésű robotokról beszélhetünk. A továbbiakban feltesszük, hogy hogy a kartagok ideális merev testek, a csuklók pedig holtjáték-, kotyogás-, és súrlódásmentesek. A fentieken túlmenően azzal a kikötéssel is élünk, hogy minden egyes csukló vagy csak lineáris, egyenes menti elmozdulás (transzlációt), vagy csak tengerkörüli elfordulást (rotációt) tesz lehetővé. Az előbbi P típusú (angolul: prismatic joint, P), az utóbbit R típusú (angolul: revolute joint, R) csuklónak is fogjuk nevezni. Egészen speciális estektől eltekintve a valóságos robotokban is csak ez a két csuklófajta fordul elő. Ha egy robot kartagjairól és csuklóiról beszélünk, célszerű azokra valamilyen sorszámmal hivatkozni. Csaknem teljesen egységesen a robot (rögzített) törzsét 0. kartagnak szokás nevezni, a hozzá kapcsolódó kartag az 1. kartag, és az ezeket összekötő csukló az 1. csukló. Mind a kartagok, mind a csuklók sorszáma a törzstől a robotkéz felé haladva, és általánosságban az i. és az (i+1). kartagot az (i+1). csukló köti össze. Mivel a robotok kinematikai jellemzésekor mozgásokat írunk le, be kell vezetnünk különböző vonatkoztatási rendszereket. Az egyik legkézenfekvőbb lehetőség a robottörzséhez (vagy a környezethez) rögzített koordináta rendszer felvétele. Ezen rendszerhez viszonyított adatokat leggyakrabban világkoordinátáknak (angolul: world coordinates) nevezzük. Továbbá minden kartaghoz ugyancsak hozzárendelhetünk egy-egy koordinátarendszert. Az így definiált
Descartes-koordinátarendszerek
mindenfajta
26
robotmozgatás
leírására,
tulajdonképpen azonban
az
már
esetek
elegendőek többségében
lennének rendkívüli
számítástechnikai nehézségekkel járna, ha mindenáron a jól megszokott Descarteskoordinátákhoz ragaszkodnánk. Célszerű ezért bevezetni az ún. csuklókoordinátákat (angolul: joint coordinates), melyeket úgy értelmezünk, hogy a robot egy önkényesen megállapított konfigurációjában minden csuklóhoz zérus értéket rendelünk hozzá, majd a robotot ebből az alaphelyzetből (angolul: home position) kimozdítva minden csukló elmozdítását egy előjeles számmal fejezik ki. Ez a szám fizikailag P típusú csukló esetén a lineáris elmozdulás mértéke (pl. mm-ben), R típusú csukló esetén a szögelfordulás mértéke (pl. fokban). Az eddigiekből kitűnik, hogy a robot bármely konfigurációja kifejezhető akár a csuklókoordináták aktuális értékeivel, akár a robotkéz pozícióját és orientációját jellemző (a világ-koordinátarendszerben értelmezett) adatokkal. A két fajta adathalmaz közötti kapcsolat megtalálása az egyik legbonyolultabb matematika probléma a robotikában. Egy hat csuklóval felszerelt, hat szabadságfokú robot egyes csuklóinak qi -vel jelölt csuklókoordinátáiból egy hat dimenziós vektort képezhetünk
q = [ q1 q2 K q6 ] . T
Ugyancsak hatdimenziós vektorral adható meg a robotkéz pozíciója és orientációja is, ezt a vektort p-vel jelöljük. A p vektor meghatározása a q ismeretében az ún. direkt kinematikai feladat, míg az ezzel ellentétes irányú transzformációt inverz kinematikai feladatnak nevezzük. Az utóbbi probléma megoldását súlyosbítja az a körülmény is, hogy a robotkéz egy adott pozíciója és orientációja általában több különböző csuklószög helyzettel is megvalósítható, ilyenkor az inverz kinematikai feladat megoldása matematikailag nem egyértelmű. robotok csoportosítása
2.1.5. Robotok csoportosítása A robotokat rengeteg szempont alapján lehet csoportosítani. Ezek közül csak a legfontosabbakat említjük. Mobilitásuk alapján: •
mobil robotok
•
helyhez kötött robotok
Felhasználásuk alapján: •
anyagmozgató
•
technológiai műveletet elvégző
•
szociális
Helyhez kötött robotok kinematikájuk alapján:
27
•
párhuzamos kinematikájú
•
láncolt kinematikájú
•
vegyes kinematikájú
Mobil robotok kinematikájuk alapján: •
differenciális
•
holonomikus
•
egyéb
2.1.6. Felhasználás szerinti csoportosítás Manapság a robotok szerteágazó feladatköröket töltenek be, mely folyamatosan bővül a technológia fejlődésével. Ebből adódóan a legcélszerűbb őket a feladatkörük szerint csoportosítani
Ipari robotok (Industrial robots) Az ipari robotok közé sorolhatóak azok a robotok, amelyek a gyártás során végzik a feladatukat. Jellemzően ezek speciális robotkarok, amelyek különböző műveleteket hajtanak végre, az alkatrészek behelyezésétől a hegesztésen át egészen a festésig.
Takarító vagy háztartási robotok (Domestic or household robots) Ide tartoznak a háztartási feladatokat ellátó robotok, amelyek megkönnyítik az emberek mindennapjait. Például: porszívó robot, medence takarító robot, sepregető robot, eresz takarító robot.
Orvosi robotok (Medical robots) Azok a robotok, amelyeket a gyógyszeriparban és az orvostudomány területén alkalmaznak. Elsősorban a sebészeti robotok tartoznak ide.
Service robotok (Service robots) Robotok, amelyeket feladatuk alapján egyik kategóriába se tartoznak. Ezek lehetnek különböző adatgyűjtő és feldolgozó robotok, amelyek segíthetnek például egy kutatást vagy valamilyen szolgáltatást.
Katonai robotok (Military robots) Robotok, amelyeket a hadiiparban alkalmaznak. Ide tartoznak például a tűzszerész robotok, a különböző szállító robotok, vagy a távirányított felderítő repülőgépek.
Szórakoztató robotok (Entertainment robots) Ebbe a kategóriába azok a robotok taroznak, melyeknek célja az emberek szórakoztatása. Például ilyenek a táncoló robotok, vagy a kerekeken guruló ébresztőóra.
Űr robotok (Space robots)
28
Ide tartoznak azok a robotok, amelyeket az űrben alkalmaznak, például a felderítő robotok, vagy a nemzetközi űrállomásokon használt robotok
Hobby robotok (Hobby and competition robots) Hobby robotok, amelyeket a felhasználó építhet össze és programozhat be különböző feladatokra. Természetesen vannak olyan összetettebb robotok, amelyek nem sorolhatóak be egyértelműen egy kategóriába, mivel több feladatra is alkalmasak.
2.1.7. Ipari és szolgáltató robotok néhány különbsége Felhasználásuk szerint a robotokat tehát két nagy csoportra lehet bontani; ipari és szolgáltató robotokra. Az ipari robotok már hosszú ideje az ipari automatizálás részét képezik, a szolgáltató robotok azonban egyelőre még sokkal kevésbé elterjedtek. Az elmúlt két évtizedben azonban számos kutató és fejlesztő projekt irányult a szolgáltató robotokra, és a robotok felhasználási területe egyre inkább bővül. A 1. táblázat szemlélteti az ipari és szolgáltató robotok közötti alapvető különbségeket
29
1. táblázat: Különbségek az ipari- és a szolgáltató robotok között
MUNKAKÖRNYEZET
FELHASZNÁLÓK BIZTONSÁG
IPARI ROBOTOK
SZOLGÁLTATÓ ROBOTOK
Ellenőrzött és jól
Rendezetlenebb, nehezebben
meghatározott környezet
definiálható környezet
Betanítás speciális
A betanítás a tevékenységek
feladatokra
széleskörű skáláját öleli fel
Gépfüggő
Robot és felhasználófüggő Robotoknak és embereknek
MUNKAFILOZÓFIA
Robotok és emberek
meg kell osztozniuk a munka-
elkülönítése
területen, hogy szolgáltatást nyújtsanak/kapjanak
Megbízásra rugalmasan
GÉP TERVEZÉSE
Igényre rugalmasan reagál
reagál
2.1.8. Szolgáltató robotok csoportosítása Az alábbi táblázatok az ISO 13482 szabvány szerinti definíciók alapján mutatják be a szolgáltató robotokat, és azon belül részletesen a személyi gondozó robot típusait. 2. táblázat
ROBOT Mozgásba hozott mechanizmus, két vagy több tengelye programozható, bizonyos fokú autonómiával rendelkezik, a környezetében mozog, hogy feladatokat hajtson végre. IPARI ROBOT
SZOLGÁLTATÓ ROBOT Olyan robot, amely hasznos feladatokat hajt végre emberek vagy
Az ipari robot egy automatikus irányítású, többcélú
újraprogramozható, automatikus
berendezések
számára,
kivéve
az
ipari
automatizáló
berendezéseket.
ipari
KISZOLGÁLÓ ROBOT
ORVOSI/EGÉSZSÉGÜGYI ROBOT
feladatok
elvégzésére
használt
manipulátor, három vagy több tengelye programozható, melyek lehetnek rögzítettek vagy mobilak.
Olyan szolgáltató robot, mely lehetővé kontaktust
az
a
fizikai
emberekkel,
támogató tevékenységeket lát el,
30
teszi
amelyek
közvetlenül
Olyan robot vagy robotikai berendezés elektromos használnak.
melyet
orvosi
berendezésnek
hozzájárul
az
egyének
életminőségének javításához.
3. táblázat: Személyi gondozó robotok típusai
SZEMÉLYI GONDOZÓ ROBOT TÍPUSOK MOZGÓ SZOLGÁLTATÓ
FIZIKAI SEGÍTŐ ROBOT
EMBERSZÁLLÍTÓ ROBOT
ROBOT
Képes szabadon mozogni és
Segít az embernek egy feladat
Embereket szállít
egy tervezett feladatot ellátni,
elvégzésévben, pótló vagy növelő
különböző helyekre
illetve tárgyakat fogni
képességek nyújtása által. A fizikai
autonóm navigálással,
(kezelővel vagy anélkül).
segítő robot egy gyenge vagy idős
irányítással és mozgással.
embert egy jó erőben lévő ember képességeivel látja el, vagy növeli egy jó erőben lévő ember teljesítményét.
2.1.9. Autonómia definíciója A szabvány az autonómia definícióját is meghatározza, mely elsősorban az orvosi robotoknál tölt be kulcsfontosságú szerepet.
Autonómia: Annak a képessége, hogy a robot az aktuális állapotból kiindulva és érzékelve, emberi beavatkozás nélkül feladatokat hajtson végre.
Autonómia foka: Rendelkezik egy dimenzióval, mely nem más, mint az operátor bevonásának mértéke.
Az autonómia fokának osztályozása: Alacsony érték = Autonómia hiánya Magas érték = Teljes autonómia
31
32
Az ETO robot bemutatása A feladatunk során olyan megoldásokat és terveket kell készítenünk, amelyek kompatibilisek a MOGI tanszéken épülő robottal. A tervezésekor figyeltek arra, hogy a robotot a későbbiek során további funkciókkal is el lehessen látni. Hagytak rajta szabad helyet újabb alkatrészek számára és rögzítési pontokat is elhelyeztek rajta. Ennek tudatában első körben áttanulmányoztuk a robot felépítését, hogy a tervezés megkezdése előtt tudatában legyünk a szükséges információknak.
2-1. ábra: ETO robot emberi viszonylatban
2.2.1. A robot fő jellemzői A mozgásért felelős egység képzi a robot alapját. Ezen helyezkedik el a három kerék, a belsejében pedig a motorok, a szenzorok, a szabályzók és a takarító egység kapott helyet. Erre az alapra épül rá a robot többi része, a vázszerkezet, illetve az azon lévő egységek. A robot mozgását és funkcióit egy, a belsejében elhelyezett számítógép vezérli, a tájékozódását pedig egy Microsoft® Kinect® kamera segíti. Az egész szerkezet közel egy méter magas és 40 kg.
2.2.2. A robot egységeinek részletes bemutatása Mozgás A robot egyik fő tulajdonsága a szabad mozgása. Ennek köszönhetően közlekedés közben szabadon változtathatja a mozgás irányát és a robot elfordulását. Ez az összetett mozgás lehetővé teszi a precíz manőverezést és jobban hasonlít az élőlények mozgására. Ezt a mozgást az úgynevezett holonomikus hajtással tudja elérni. Három 4"-os kerékkel rendelkezik a robot, amelyek egyenlő távolságban helyezkednek el a szerkezet sarkainál 120°-ban egymáshoz
33
képest. A kerekek tulajdonsága, hogy a tengelyükre merőlegesen is el tudnak gördülni, emellett mindegyiknek a sebessége és forgásának iránya egymástól függetlenül szabályozható. Így a robot orientációjától függetlenül bármelyik irányba tud mozogni. Menet közben a kerekek szögelfordulásából tudja számítani a helyzetét, amit a kamera képének elemzésével és külső tájékozódási pontok használatával tud pontosítani. Ez a tulajdonsága előnyt jelent más területeken is, például tud úgy közlekedni, hogy a kamera képét egy kiválasztott objektumon tartja, ezzel kibővítve a felhasználási módjait a robotnak. A kerekek méretéből adódóan vannak korlátai is a felhasználási területnek, mivel csak kisebb szintkülönbségeken képes áthaladni. A kerekek meghajtásához három 100 W-os kefés DC motort használnak, 1:7-es szíjáttétellel. Minden motorhoz külön motorvezérlő elektronika tartozik, a tápellátást pedig egy 24 amperórás 12 V-os ólomzselés akkumulátor biztosítja.
2-2. ábra: Holonomikus kerék (omnidirekcionális kerék)
2-3. ábra: A robot hajtása (DC motor)
A robot végsebessége a 1,5-2 m/s-ot is elérheti. Mivel a robot tömege 40kg, és teljesen automatikusan, emberi beavatkozás nélkül közlekedik, ezért nagyon fontos odafigyelni a
34
biztonságra, hogy el tudjon kerülni egy véletlen ütközést. Ennek érdekében 6 távolságérzékelőt helyeztek el körben a robot alsó részén, a sarkait pedig gumi ütközővel látták el. A távolságérzékelők 200-800 mm között adnak használható jelet, viszont ügyelni kell a felhasználási területen elhelyezett tárgyakra, ugyanis egyes anyagokat ez a rendszer nem képes megbízhatóan észlelni, mint például az üveget. A balesetek elkerülésére és megelőzésére egy vészleállító gombot is elhelyeztek a robot tetején.
2-4. ábra: Vészleállító gomb
Szerkezet Az alapegységre épül rá a robot váza. Az egész szerkezet követi a kerekek kiosztásának körszimmetriáját. A robot magassága úgy lett megtervezve, hogy a kamerája még rálásson a legtöbb asztalra. Egy átlagos asztal magassága 700-750 mm, ehhez igazodva a kamerát 850 mm-es magasságban helyezték el. A szerkezet 10 és 5 mm-es vízvágott alumínium lemezekből, illetve 10x10 mm-es rudakból épül fel. A vízszintes lemezekre raszteres kiosztásban 4 mm-es lyukakat fúrtak az alkatrészek rögzítéséhez. Ezeket a lyukakat lehet további elemek rögzítésére is használni. A vázon egységesen M5-ös süllyesztett vagy sima fejű belső kulcsnyílású csavarokat használnak. A perifériákat ellátó hajtások 30 W-os kefés DC motorok 1:7 szíjáttétellel. A motorokat aktív hűtéses teljes H hidas teljesítmény elektronikák hajtják. Ezek a központi elektronikától kapják a referenciát CAN-buszon.
35
2-5. ábra: A robot váza
Kamera A környezet megfigyelésére egy Kinect kamerát használ a robot. A kamerát két motor mozgatja vízszintes és függőleges irányba, amivel nagyban megnöveli annak látószögét. Ennél az egységnél fontos szempont a kamera stabila helyzete, hogy a képét pontosabban tudja elemezni a számítógép. A mozgató mechanizmus rendelkezik saját tápmodullal és egy vészleállító funkcióval is, ami váratlan ütközés esetén leállítja a motorokat. A Kinect a színes VGA kamera mellett két infra érzékelőt és két mikrofont is tartalmaz. Az infra érzékelőkkel érzékeli a távolságot és ezt veti össze a színes képpel, így egy úgynevezett 2,5 dimenziós képet kap a környezetéről. Az, hogy a képet milyen funkcióhoz használja fel a robot, már a programozáson múlik.
2-6. ábra: Kinect kamera
36
2-7. ábra: Hajtómű
Számítógép A vezérlés alapja egy PC, ami USB-n vagy Bluetooth-on keresztül csatlakozik a robot mozgást végző moduljához. A mesterséges intelligenciához szükséges számolási kapacitást külső számítógép bevonásával is növelhetjük. A központi elektronika kaphat referenciát és parancsokat, illetve adhat információt Bluetooth kapcsolaton keresztül és USB porton is a PC-nek. A tájékozódást segíti még egy 3 tengelyes giroszkóp, egy gyorsulásérzékelő és egy iránytű. Az egyéb kisebb perifériák mozgatására egy 24 portos USB csatlakozású RC szervo hubot is beépítettek.
2-8. ábra: PC (Számítógép)
Takarító egység A robot aljában helyet kapott egy takarító egység, amivel közlekedés közben tisztán tudja tartani a bejárt területet. Egy forgó kefe szedi össze a koszt, amit egy fésű távolít el róla tartályba.
Akkumulátor A robot jelenleg 5 darab 24 Ah-ás akkumulátort használ, ezzel 4 órát bír normál használat közben. Ezt lehetőség van tovább bővíteni. Az akkumulátorok egy kinyitható tárolón kaptak helyet a könnyebb szerelés érdekében.
37
2-9. ábra: Akkumulátor
Hangszóró A roboton helyet kapott 2 hangszóró, amelyek a kommunikációjában vesznek részt.
2-10. ábra: Hangszórók
Flipper kar Extra funkcióként beépítettek egy flipper kart, amely labdaütögetésre képes. Ezt egy elektromágneses mechanika mozgatja. A robot aljának íves formája segít a labdát a karhoz terelni.
Ajtónyitó A robot képes kinyitni a mágneskártyás ajtókat, ehhez egy felemelhető kart használ, amivel eléri a leolvasót.
Tálca A robotra felszerelhető egy tálca, amin különböző tárgyakat tud szállítani.
38
A szociális robotok típusai A következő példák áttekintést adnak azokról a fejlesztés alatt álló robotokról, melyek az emberek segítésére alkalmas jellemzőkkel bírnak.
2.3.1. Kompai Fejlesztő: Robosoft Bemutatás: 2010 Személyi asszisztensként használható több területen. •
Emlékeztető: receptek, napirend
•
Internet hozzáférés: e-mailek, közösségi hálók, videokonferenciák
•
Mindennapi segítségnyújtás a felhasználónak
•
Kiállítási, múzeum: kölcsönhatásba lép a látogatókkal
2-11. ábra Kompai
2.3.2. Biron Fejlesztő: Bielefeld University Bemutatás: 2004 Mobil robot, személyi asszisztensként használható. Fel van szerelve egy pan-tilt (pásztázóbillenő) kamerával, egy pár mikrofonnal, valamint egy lézeres távmérővel. Megérti a beszédet és a kézmozdulatokat, azonosítja a tárgyakat és kölcsönhatásba tud lépni a személyekkel. A felhasználók tárgyakat és helyeket mutathatnak a robotnak a saját otthonukban, melyet a robot megjegyez és később is emlékezik rájuk.
39
2-12. ábra Biron
2.3.3. Hospi-Rimo Fejlesztő: Panasonic Bemutatás: 2011 Kényelmes kommunikációt biztosít ágyhoz kötött illetve mozgáskorlátozott embereknek.
2-13. ábra Hospi-Rimo
2.3.4. iRobiQ Fejlesztő: Yujin Robot Bemutatás: 2008 Képességei: 1000 beszéd alapú parancsot megért és reagál rájuk, önfeltöltő, képeket készít, híreket és recepteket mutat, felügyelő kamerával és karaoke programmal rendelkezik, angolt tanít.
40
2-14. ábra iRobiQ
2.3.5. Wakamaru Fejlesztő: Mitsubishi Heavy Industries Bemutatás: 2005 Mobil háztartási robot, kölcsönhatásba tud lépni az emberekkel, képes beszélni, kezet fogni, és természetes beszélgetésbe elegyedni. Sőt, emlékezteti a felhasználókat, hogy vegyék be a gyógyszerüket, és segítséget hív, ha arra utaló jeleket tapasztal, hogy valami baj lehet velük. Képességei: Hang és kép felismerés, csatlakoztatható az internethez, emlékezteti a felhasználót gyógyszer bevételére, segítséget hív baj esetén, ütközésérzékelés, pozíció mérése, IR és US szenzorok (hőmérsékletérzékelés).
2-15. ábra Wakamaru I.
2-16. ábra Wakamaru II.
41
2.3.6. RoboVie R3 Fejlesztő: V-Stone Bemutatás: 2009 Idősek és mozgáskorlátozottak mindennapjainak segítésére tervezett robot. Humanoid, de körülbelül feleakkora, mint egy ember.
2-17. ábra RoboVie R3
2.3.7. HAR (Home Assistant Robot) Fejlesztő: Toyota Bemutatás: 2009 Háztartási robot, egyszerű házimunkák elvégzésére képes, például a padló felmosására, mosásra, mosogatásra és még bútortologatásra is.
2-18. ábra HAR
2.3.8. PaPeRo Fejlesztő: NEC Bemutatás: 2011 Képességei: beszélő kölcsönhatás, arcfelismerés, gesztikulációérzékelés, másik PaPePo robottal kommunikál, 8 mikrofon.
42
2-19. ábra PaPeRo
2.3.9. Cubo Fejlesztő: IZI robotics Bemutatás: 2006 Képességei: könyveket tud felolvasni gyerekeknek, angolt tanít, otthoni felügyeletet biztosít, időjárás jelentést és híreket mutat, ébresztő funkció, robot "levelet" kézbesít.
2-20. ábra Cubo
2.3.10.
Mamoru
Fejlesztő: University of Tokyo Bemutatás: 2008 Mamoru egy kisméretű idősgondozó robot, mely úgy néz ki, mint egy apró nagymama a kis műanyag kontyával. Segít az időseknek és fogyatékkal élőknek emlékezni, hogy hova tették a távirányítót vagy a papucsukat, és udvariasan figyelmeztet, ha itt az ideje a gyógyszerbevételnek. A tárgyak felismerésére nagy látószögű kamerát használ, hogy nyomon tudja követni a szobát, és képfelismerő szoftver segítségével megállapítja, hogy melyik tárgy micsoda.
43
2-21. ábra Mamoru
2.3.11.
Nao
Fejlesztő: Aldebaran Robotics Bemutatás: 2007 A robot elsődleges célja: biztonsági támogatás, információ, otthoni támogatás, ezen kívül tud focizni, hangfelismerés funkciója is van.
2-22. ábra Nao
2.3.12.
iCat
Fejlesztő: Philips Bemutatás: 2005 Az iCat egy user interface robot. Képes a hang és a beszéd azonosítására valamint felismeri a tárgyakat és arcokat egy kamera segítségével. Lehet csatlakoztatni az otthoni hálózathoz, hogy a háztartási készülékeket irányítsa, vagy az internethez, hogy információt szerezzen.
44
2-23. ábra iCat
2.3.13.
Paro
Fejlesztő: AIST Bemutatás: 2001 Paro egy terápiás robot, mely lehetővé teszi az állatterápia bizonyított előnyeit olyan betegek környezetében, mint a kórházak és egyéb intézmények, ahol élő állatokat jelenléte nehézségekbe ütközik.
2-24. ábra Paro I.
A 8. generációs kialakítását Japánban és Európa-szerte már 2003 óta használják. Ötféle szenzorral rendelkezik: tapintás, fény, hang, hőmérséklet és testtartás érzékelők, amelyekkel képes érzékelni az embereket és a környezetet. Megtanulja, hogy milyen viselkedést részesít előnyben a felhasználó, és reagál az új nevére. A kimutatások szerint Paro: ▪ Csökkenti betegek és a gondozók stressz-szintjét ▪ Serkenti a betegek és a gondozók közötti interakciót ▪ Fokozza a betegek kipihentségét és motivációját ▪ Javítja a betegek egymás közötti szocializációját
45
2-25. ábra Paro II.
2.3.14.
Kobie
Fejlesztő: Electronics and Telecommunications Research Institute (ETRI) Bemutatás: 2007 A koala alakú robot a Paro robothoz hasonló képességekkel rendelkezik.
2-26. ábra Kobie
2.3.15.
Rabie
Fejlesztő: ETRI Bemutatás: 2007 A nyúl alakú robot hét különböző érzelem kifejezésére képes, például boldogság, szomorúság és meglepődés. Az érzelmeit a szeménél található kijelző segítségével fejezi ki.
2-27. ábra Rabie
46
2.3.16.
Pomi
Fejlesztő: ETRI Bemutatás: 2008 A pingvin alakú robot kölcsönhatásba tud lépni az emberekkel, a neve POMI, ami a "Penguin Robot for Multimodal Interaction"-ból képzett egy mozaikszó (pingvin robot többféle interakció elősegítésére). Képes látni, hallani, érinteni és arckifejezéseket létrehozni. A hangulatától függően mozgatja a szemöldökét, pupilláját, valamint a száját. Az egyik legérdekesebb tulajdonsága, hogy képes ténylegesen szagot kibocsátani, ami azt jelenti, hogy ha dühös, akkor kellemetlen szagot áraszt. A beépített szenzorok segítségével felismeri a hangokat és az emberek helyzetét. További érdekes tulajdonsága, hogy a hangulatától függően különböző szívverések létrehozására képes.
2-28. ábra Pomi
Robotok kommunikációja A szolgáltató robotok környezettel való kölcsönhatása különböző módokon és kifinomultsággal valósulhat meg. A szolgáltató robotok által leggyakrabban alkalmazott interaktív módozatok a következők.
2.3.17.
Beszéd
A beszélgetés a legtermészetesebb módja az emberek közötti társadalmi interakciónak, tehát a robotokkal való kommunikációnak is ez lenne a legkényelmesebb módja. Bár folyamatosan zajlanak kutatások a beszédfelismerés megvalósításáról zajos valós környezetben, azonban ez továbbra is nyitott probléma. A robot használhat mesterséges beszédgenerálást vagy előre felvett emberi hangot.
47
2-29. ábra Beszéd
2.3.18.
Gesztikuláció
Mivel a testbeszéd fontos összetevője az emberi kommunikációnak, hasznos lehet a robot és az ember közötti kommunikációban is. Az a képesség hogy rámutassunk, és elismerjük a tárgyat, melyre rámutattak, például segít a ráirányítani valamire a figyelmet és összefüggést teremt a mondanivalóval. Továbbá, fizikoterápiában a testhelyzet felismerés alapvető fontosságú és növelheti a kölcsönhatást a robot és a felhasználó között.
2-30. ábra Gesztikuláció
2.3.19.
Közvetlen betáplált információ
A felhasználónak néha az a legmegfelelőbb, ha közvetlenül táplálhat be adatot a robotba. Így például, amikor a felhasználó egy térképen több hely közül választ, vagy menetrendet keres, akkor a verbális vagy gesztus parancsok fárasztóvá válnak. Ezekben az esetekben a kommunikáció rendkívül hatékonnyá tehető egy beviteli eszközzel, például egy egérrel vagy egy érintőképernyővel, még akkor is, ha a felhasználó egyébként nem szívesen használja ezeket az eszközöket társadalmi interakcióra.
2-31. ábra Közvetlen betáplált információ
48
Robot-piaci trendek A Japán Gazdasági és Kereskedelmi Minisztérium jelentése szerint a robotipari piac drámai átrendeződése várható (ld. 2-32. ábra). A hangsúly a termelési szektorban használt klasszikus ipari robotokról át fog helyeződni az un. szerviz robotokra, melyek máris átvették a vezető szerepet a tudományos folyóiratokban és konferenciákon, habár piaci részesedésük szinte elhanyagolható. Ez felerősödni a közel jövőben fog. Ez az észlelés az irodai, kórházi és hasonló robotok növekvő trendjét mutatja.
2-32. ábra Robot ipari piac előrejelzése [1]
Mostanáig a közemberek csak TV-ben láthattak robotokat, de ezekkel nem volt valós fizikai kapcsolatuk. Ez azt jelenti, hogy a robotok tisztán csak mérnöki eszközök voltak (mérnökök találkoztak velük). Egyértelmű, hogy az ipari robotokat robot specialista mérnökök használják és programozzák. Ahogy a robotok kis és középvállalkozásokban is megjelennek már olyan mérnökök is használják őket, akik nem robot specialisták. Így a robotprogramozó módszereknek hatékonyabbá kell válniuk, hogy a veszteségek elkerülhetőek legyenek a kistermelésben a gyakori váltás miatt. Tehát növekvő igény van arra, hogy a robotok betanítása automatizáltabb legyen, valamint hogy képesebbek legyenek sokkal kifinomultabb feladatok elvégzésére is. Automatikus anyagmozgatásra az ipari robot egy nagyon kezes megoldás, habár 49
speciális figyelmet igényel a munkafolyamat beprogramozása. Az offline programozása az ipari robotnak meglehetősen bonyolult, mert nagyon pontos rendszer beállításon alapul s a virtuális környezetet gondosan kalibrálni kell, hogy lemásoljuk a valós felépítést, és elkerüljük a helyszínen történő programmódosításokat. Ezek a problémák elkerülhetőek online programozással, de online programozás során a robot képtelen bármit is termelni. Ez eredményezi a folyamatos igényt az új és hatékony robotbetanító módszereknek. Az ipari robotok területén a legnagyobb kihívást nyújtó akadály az, hogy kb. 400-szor annyi időt vesz igénybe a robot komplex működésének a beprogramozása, mint amennyi ideig a tényleges feladat végrehajtása történik. [2] A következő lépésben a robotot már nem mérnökök fogják használni. Robot felhasználói szempontból az emberek négy fő csoportra oszthatóak: -
robot specialista mérnökök
-
mérnökök, de nem robot specialisták
-
nem mérnökök, de a robottechnika iránt érdeklődők
-
idős emberek, robotikától tartózkodók
Mindennapi életünkben a robotok nem elég ha csak egy előre beprogramozott feladatot hajtanak végre. Alkalmazkodniuk kell a változó körülményekhez, saját döntéseket hozni, valamint szociálisan beilleszkedni az emberi környezetbe. Ez egy sokkal kifinomultabb robot vezérlő módszert kíván. A használat módja olyan egyszerű (vagy egyszerűbb) kell legyen, mint bármely irodai, avagy háztartási berendezés használata. A szerviz robotok más eszközökétől sokkal kifinomultabb feladatok elvégzésére szolgálnak, ezért a robot vezérlése és mesterséges intelligenciája ki kell elégítse a kommunikációs feladatot az ember-robot kölcsönhatásban. A hardver tervezéssel összhangban az alacsony szintű szoftverfejlesztés is számos további kérdést vet fel: -
Hogyan kellene egy szociális robotnak kinéznie?
-
Hogyan kommunikáljunk a robottal?
-
Lehetséges, hogy a robotnak legyenek érzelmei?
-
Mi az érzelem meghatározása?
Az emberek mindig is ragaszkodtak személyes használati cikkeikhez (telefon, autó, stb.). Ez a ragaszkodás erősebb lehet a szerviz robotokhoz. Ennek a - jelenleg egyoldalú - ragaszkodási viszonynak a kölcsönössé tétele nem csak nyilvánvaló marketing előnyökkel járna, de növelné az együttműködés hatékonyságát is az ember-rendszer interakciókban. Ez az írás e trend szerint van rendezve kezdve az ipari robotokkal és a szociális robotokkal végződően. A II. részben a műhely-béli ember-robot együttműködés lesz bemutatva. A III. rész 50
mérnöki szempontból mutatja be a szerviz robotokat. A IV. rsz bevezet az eto-robotikába (etológiailag inspirált robotok). Az V. rész a végkifejlet, és az utolsó a köszönetnyilvánítás és a hivatkozások.
Ember robot együttműködés a műhelyben Amíg a szerviz robotok mindennapi életünkbe próbálnak beszivárogni, addig továbbra is komoly erőfeszítések vannak a robot manipulátorok kutatásában. Amíg a szerviz robotok egyre barátságosabbá és természetesebbé válnak, annál szembetűnőbbé válik a manipulátorok működtetésének és programozásának fejletlensége. Mivel a kis- és középvállalatok (KKV) automatizálni kezdenek a rugalmasan kezelhető robot-cellák iránti igény növekszik. A rugalmasság számos tényezőn múlhat: -
A hardver rugalmassága (robot, CNC gép)
-
Integrálási rugalmasság (robot cella újrakonfigurálása)
-
Működtetési rugalmasság (ember-gép kölcsönhatás)
Az első két komponenst a robot gyártóknak és az informatikai technológia kutatóinak van címezve. A legnagyobb kihívás ezen a területen közös standard protokollt nyújtani a rendszert felépítő különféle komponenseknek. A szerviz orientált építkezés (SOA) paradigmája [3] tudományosan elfogadott megközelítést nyújt és továbbra is az érdeklődés középpontjában áll [4, 5, 6]. Másrészről a rendszer legkevésbé rugalmas pontja meghatározza a rendszer rugalmasságát. A probléma jól meghatározott a [7] referenciában: a legrugalmasabb robot cellákat saját operációs szoftverrel árusítják, így a kulcs a működtetés rugalmassá tételéhez az integrátor kezében marad. Hogy több alkalmazkodóképességet vigyünk a működésbe a [7] referencia egy készlet robosztus vezérlő szoftvert mutat be.Továbbá szem előtt kell tartani, hogy a KKV-k gyakran nem tehetik meg, hogy magasan képzett működtető személyzetet alkalmazzanak, ezért is járul hozzá a könnyű programozás és beállítás a rugalmassághoz (ld.: 2-33. ábra). Továbbra is az ember-robot együttműködés áll a középpontban az egyszerű robotprogramozás célja miatt.
2.5.1.
Robot működtetés osztott térben
A legkönnyebb és legtermészetesebb módja a robot programozásának a kézzel való betanítás. Kézzel mozgatni a manipulátort veszélyeket hordoz: a robotnak áram alatt kell lennie, tehát egy robosztus és biztonságos vezérlő rendszer szükséges. A manipulátor bármely önálló mozgása 51
potenciális veszélyforrás, ha az embernek a robot munkaterében kell dolgoznia. A robot-ember kölcsönhatás az erejének vezérlése megoldást nyújt és az alkalmazott ellenállás vezérlés [8] használata erőmérő érzékelőkkel kifizetődőnek tűnik a kerítés nélküli együttműködésre. Másik vezérlési sémát mutat be a [9] összehasonlításként a PD és csúsztató mód vezérlő algoritmussal. A probléma másik kimenetele a megfelelő robot rendszer. A robosztusság hiánya az előző rendszerben késztetett új technológiák kutatására. [10] referencia bemutat egy vezérlő rendszert pneumatikus izmok által mozgatott manipulátorok számára, míg a [11] és [12] direkt motoros meghajtást használnak drótkötél mechanizmussal. Az ipari manipulátorok vezérlését célzó kutatások trendje tisztán a robosztus, de kompatibilis rendszer felé mutat, hogy egyesítse a pontosságot és biztonságot.
2-33. ábra Rugalmassági faktorok
2.5.2.
Rugalmas ember robot kölcsönhatások
Az emberrobot együttműködés keretei között a legfontosabb szempont a kétoldalú kommunikáció. Az előző részben tárgyalt fizikai kölcsönhatás által felvetett biztonsági 52
problémák, valamint a robot környezet tudatossága továbbra is jelentős probléma. Minél hatékonyabb és rugalmasabb a kölcsönhatás a felhasználóval annál kifinomultabb felismerő technológiára van szükség. A [13] referencia érdekes példát hoz erre. A hagyományos megközelítéssel egy további csatornán kellene kommunikálni a robottal a számára átnyújtott objektumról. A taktilis érzékelők jobb potenciált nyújtanak a robot rendszernek az emberi szándék megértésére, ezáltal az interakció kiterjesztett modularitására. A működtető szemszögéből a rendszer megérthető a különféle közreműködőkhöz alkalmazkodott kezelőfelületen keresztül: -
A robot cella komplexitása
-
A robot cella által végzett feladat komplexitása
-
A működtető hozzáértése
-
Szükséges információk
A kulcs a jobb rugalmassághoz a hagyományos és nagyon technikai grafikai felhasználió felület átformálása az ember és az ipari robot között (ld.: 2-34. ábra). A fókusznak a robot cella gyakorlati működtetéséről a kognitív programozásra és működtetésre kell áttérnie. E terület kutatásai magukba foglalnak más területeket is, mint a pszichológiai, használhatósági és emberi tényezők.
53
2-34. ábra Az ipari robotok hagyományos (felső) és a rugalmas (alsó) felhasználói felülete
Hagyományos értelemben az ipari robotok olyan gépek, melyek a lehető legkevesebb emberi interakciót kívánnak meg. Az embereket a működtetés részének tekintve nem csak a rugalmasság és hatékonyság nő, hanem ez elősegíti az ember-robot kapcsolatok megértését is és általában új lépéseket tesz az automatizálás iránti bizalom építésében.
A szerviz robotok mérnöki koncepciója A kiszolgálószektor robotjainak egyre és egyre kifinomultabb feladatokat kell ellátnia. Ez ugyanaz a trend mint az ipari robotok evolúciójának. Az első ipari robotot Griffith P. Taylor készítette 1937-ben. [14] Ez szinte csak mechanikai részekből és elektromos motorból állt. Fablokkok előre beprogramozott minta szerinti pakolására volt képes. A program lyukkártyán volt, mely elektromágneseket aktivált. Manapság az ipari robotok hegesztenek, festenek, marnak, stb. Bizonyos nézőpontból a legegyszerűbb robot otthonunkban a mosógép, a turmixgép, a mosogató gép stb. Ezek az eszközök a mindennapi rutinunkat segítik. Ennek a fejlődésnek a következő lépcsőfoka segítség a mindennapi szolgáltatás típusú feladatainkban. A szolgáltatási feladatokból eredően a szerviz szektor legtöbb robotja mobil robot. Számos készséges robot platform áll valahogy a segítségünkre, vagy csak a szórakoztatás kedvéből. Roomba [15], vagy Navibot [16] segítenek tisztán tartani a háztartás idáig soha nem látott kényelmes módon. 54
Vannak kutyaszerű berendezések is, mint AIBO [17], vagy Genibo, de ezek csak nagyon primitív szinten próbálják leutánozni egy valódi kutya viselkedését. Néhány ember által inspirált robot is elérhető, mint a Honda ASIMO-ja [18] vagy a SONY QRIO-ja [19], de ezek a komplex és technikailag nagyon fejlett platformok is csak karcolják a valódi ember- gép kölcsönhatás felszínét. Idősek számára ott van Paro [20] vagy Kobie, egyfajta terápiás robotok, melyek képesek érzékelni a fényt, hangot, hőmérsékletet és érintést, tehát képesek érzékelni a környezetüket és az őket körülvevő embereket. Ezek a robotok egyszerű módon lépnek kölcsönhatásba a használóval. Képesek az idősek viselkedési preferenciáit megtanulni és reagálnak a nevük szólítására. Még az „egyszerű” játékok is, mint ezek, képesek lehetnek csökkenteni a felhasználó feszültségét, hogy javítsák a szocializációt az idősek között és tökéletesebb kommunikációt teremtsenek a gondviselőkkel.
Eto-robotika Ez egy új tudományterület [5]. Ennek lényege, hogy az etológusok megfigyelik az állatok viselkedését és verbális etológiai modellt készítenek. Ezt az etológiai modellt informatikusok algoritmizálható matematikai modellé alakítják, majd a mechatronikai mérnökök beépítik a robotokba vagy más eszközökbe. A folyamatot a 2-35. ábra-án láthatjuk. A természettől a mérnökök sok technikai megoldást tanultak el, de most nem egy technikai megoldást kell eltanulni, hanem a viselkedést. Szeretnénk, ha a robot valamilyen mértékig szerethetővé válna, de a robotot ne úgy szeressük, mint egy másik embert, hanem úgy mint egy mesterséges állatot. De a kérdés, hogy pl. a kutya milyen viselkedéssel éri el azt, hogy szeressük. Erre a kérdésre etológusoktól várjuk a választ.
55
Etológiai megfigyelések: állat-ember interakció „koherens viselkedési rendszer” (pl. kötődés) Etológiai viselkedésmodell „esszenciák”, matematikai modellek Robotirányítási modellek Ember-robot interakció Validálás: objektív/szubjektív módszerek 2-35. ábra Eto-mérnöki folyamat
Mogi robi a hűséges társ A MOGI Robi egy olyan kutatás eredménye, ahol az etológusok megfigyelték a kutyák kötődését a gazdájukhoz, az informatikusok ezt a viselkedést algoritmizálták és leprogramozták, majd a mérnökök megépítettek egy robot lényt, amelynek néhány viselkedéseleme a kutyáéhoz hasonlít. Annak ellenére, hogy MOGI Robinak nincsenek érzései, úgy tud mozogni, viselkedni, hogy bennünk az az érzés támad: kötődik hozzánk, szeret minket. A kutya és gazdája közötti kötődést magyar etológusok írták le először tudományosan [6,7]. Feltételezhetően a kutyák is túlélési céllal, a relatív táplálék bőség miatt alkalmazkodtak az emberhez. Így alakulhatott ki az állatvilágban egyedülálló, fajok közti viselkedés, a kutyaember kötődés. A kötődés fogalmát eredetileg a pszichológusok az anya gyermek kapcsolatára dolgozták ki. Megfigyelhető, hogy a gyermek keresi az anyja közelségét, az anyjához fordul vigaszért a vele való kontaktus megnyugtatja, az anyjától elválasztva azonban tiltakozik, sír, növekszik a stressz szintje. Az újra találkozáskor üdvözli az anyját, hozzábújik, majd rövid időn belül megnyugszik Ezek a viselkedés elemek a kutyáknál is megfigyelhetők, és tán könnyebben algoritmizálhatók, önthetők szabályokba, mint az emberi viselkedés. Ezért esett a választás egy kutyaszerű robotlény, MOGI Robi, létrehozására (ld. Hiba! A hivatkozási forrás nem található.).
56
2.8.1.
Az etológiai modell
Az etológiai modell olyan állításokból áll, pl. Ha a gazda közel van, akkor a kutya stressz állapota csökken. Ha a kutya stressz állapota alacsony és a labda a közelben van, akkor a kutya játékkedve nő. ha a kutya játékkedve nagyon magas, akkor játszani kezd. Ilyen szabályokból több százat állítottunk fel, és addig finomítottuk a szabályokat, amíg a robot viselkedése kutyaszerűvé nem vált. Egy ilyen verbális modellt a fuzzy logika segítségével a legegyszerűbb matematikai formába önteni.
Ember-robot kommunikáció fejlődése Korábban az ipari robotokat csak cégóriások a nagysorozatú gyártásban (klasszikusan az autóiparban) alkalmaztak, ahol a robotokat robotika szakemberek programozták. A robot oldalon nem volt szükség az ember megértésre, hiszen a szakemberek ismerték a robotok minden belső rezzenését, gondolkoztak a robot helyett is. Annak ellenére, hogy a robotokat robotspecialisták programozták, a programozási idő meglehetősen hosszú volt. Átlagos szabályként azt mondhatjuk, hogy klasszikusan kb. 400-szor annyi idő egy művelet beprogramozása, mint a művelet elvégzése. Mára a robotok egyre több és egyre kisebb cégeknél jelennek meg, ahol egyre kevésbé van lehetőség tisztán robotikai szakemberek alkalmazására. De ebben az esetben a robotok még mérnökök kezében maradnak, akik valamilyen szinten értenek a robot nyelvén, ugyanakkor a robotokat is egyre intelligensebbre kell tervezni. Ennek a motiváltsága kettős. A kisebb szériák gyártásánál a robotizált folyamat gyakori átállítása a hagyományos robotprogramozási módszerekkel a költségeket annyira megnövelné, hogy a robotizálást teljesen versenyképtelenné válna. További gond, hogy a robotok programozása olyan szaktudást igényel, amely a kis és közép méretű vállalatoknál nincsen jelen. Ez vezetett az ún. szuper-flexibilis robotprogramozáshoz [1], ahol a cél az volt, hogy minél természetesebb módon lehessen a robotokat programozni. [2,3] a robotok programozásának és betanításának egy új paradigmáját mutatta be, amely a szokványostól eltérő kognitív infokommunikációs csatornákra épül. Ha a robotfolyamattal a műhelyfőnök különösebb informatikai tudás nélkül is tud kommunikálni és „elmagyarázni” az elvégzendő feladat lényegét, mint egy kollégának, és a robot nagyobb részt automatikusan elő tudja állítani a szükséges robotprogramokat, akkor az átállás ideje, szakember igénye és költsége jelentősen csökkenthető. A gondot az jelenti, hogy ha 100%-os automatizálásra törekszünk, akkor a 57
biztonság, a felkészülés minden extrém esetre, ismételten túlzottan megnöveli a költségeket. A megoldás a robotfelügyeleti rendszer, ahol bizonyos mértékben bevonjuk az emberi intelligenciát (brain in the control loop) folyamatot valósítunk meg [4]. Ez egy új dimenziót nyitott a robotizációban, nevezetesen a kis- és a középvállalatok számára is elérhetővé tette a robotos alkalmazásokat. A robotot egy erős, a jól definiált feladatot precízen megoldó, korlátozott intelligenciával rendelkező, de ugyanakkor több tekintetben fogyatékos betanított munkásnak tekintette és ez elindította azt a folyamatot, amelyben a robotokkal egyre egyszerűbb nyelven lehet kommunikálni. Hamarosan a robotok megjelennek a mindennapi életünkben (ld. 1 ábra). Öregedő társadalmunkban egyre több ember szorul fizikai segítségre, és egyre drágább az emberi munkaerő. Valószínűleg a betegszállító robotok lesznek az elsők (kísérleti jelleggel ilyenek már vannak), ezt követően jönnek az időseket, fogyatékosokat figyelő, óvó, majd fizikailag segítő robotok, esetleg a terápiás robotok, de valószínűleg eljutunk a takarító és főző robotokig. A robotok olyan emberek között fognak tevékenykedni, akik csak saját nyelvükön tudnak kommunikálni, ezért a robotoknak kell megtanulni egy olyan nyelvet, amelyet a hétköznapi ember is megért. Kérdés, hogy milyen legyen ez a nyelv. Könnyen jutunk arra a következtetésre, hogy a legjobb az lenne, ha a robottal úgy lehetne kapcsolatot teremteni, mintha az egy másik ember lenne. Ezzel az a baj, hogy a jelenleg legintelligensebb robot is messze elmarad az emberi intelligenciától, így ha a robot felhasználója nem figyel (megfeledkezik, hogy egy robottal áll szembe), és embernek tekinti a robotot, akkor a robot megzavarodhat pl. beszédtechnológiai eszközökkel egy udvarias kérést sokkal nehezebb felismerni, mint egy direkt rövid parancsot. Sokkal tisztább a helyzet, ha a robotot nem az emberrel, hanem egy állattal tekintjük egyenrangúnak és csak olyan parancsokat adunk, hogy ül, fekszik, hozd ide, tedd ezt vagy azt. Az ipari robotokkal szemben az emberek között tevékenykedő robotok esetében nem mindegy, hogy a robot miként hajtja végre a feladatot. A robotnak a feladat megoldása mellett viselkednie is kell, szociálisan be kell illeszkednie az emberek közé. Ismét az a kérdés, hogy miként kell beilleszkedni, és a válasz ismét az, hogy a robot inkább legyen egy mesterséges állat, mint egy mesterséges ember.
A telemanipuláció rövid története Az első modern master-slave telemanipulációs rendszert 1945 körül Goertz fejlesztette ki az Argonne Nemzeti Laboratóriumban (ANL) [1]. Ez egy mechanikai pantográf rendszer volt, amivel az emberi operátor radioaktív anyagokat tudott vezérelni egy ”forró cellában”, úgy hogy
58
közben ő a cellán kívül helyezkedett el. A fogantyút, mint master eszközt fogva az operátor mozgatni tudta a cellában elhelyezett slave eszközként működő megfogót és a folyamat során erőértékeket kapott. Nem sokkal később, még 1945-ben az elektronikus szervómechanizmusok felváltották a direkt mechanikus master – slave rendszereket és láncolatait [2]. A zárt áramkörű televíziót amikor bemutatták, a kezelő tetszőleges távolságban helyezkedhetett el a szerkezettől. A slave és környezete között kialakult erőhatást a master eszköz érzékelte. 1964ben, Mosher kifejlesztett egy hatásos modellt, ami egy handy-man volt elektrohidraulikus kezekkel, kezenként 10 szabadságfokkal. Az akkori kutatások egyik fő témája a robotrendszerek távirányítása volt. A távirányítású robot rendszereket gyártásban, víz alatti manipulációban, tartályellenőrzéseknél, atomerőművek karbantartásánál, űrkutatásban és sok más helyen felhasználták. A telemanipulációval (telerobotika) kapcsolatban lévő fejlesztések történelmi áttekintések az [1]- ben találhatók.
2.10.1.
Mi is a telemanipuláció
A telemanipuláció az a folyamat, ahol az operátornak valamilyen feladatot kell elvégeznie veszélyes vagy számára elérhetetlen környezetben, mint például az űrben, víz alatt, atomerőműveknél, ahol fizikailag nem lehet jelen. A teleoperációs rendszer kibővíti az operátor hatáskörét, így a Távoli Munkatéren is tud munkát végezni. Ezt a kiterjesztést a master – slave rendszerekkel oldották meg. A telemanipuláció két, egymással szorosan összefüggő folyamatra bontható. Egyik folyamat a master és az operátor kölcsönhatása, a másik a slave készülék és a távoli környezetnek a kölcsönhatása. A master szerkezet testesíti meg a távoli környezetet az operátor oldalon, a slave szerkezet pedig az operátort a távoli oldalon. Amikor emberek használják ezt a szerkezetet csak azért hogy tárgyakat mozgassanak és a távoli környezetből érkező reakcióerőnek nincs számottevő hatása a teljesítményre, akkor az operátor pozíciójának mérése és vizuális visszacsatolás elegendő lehet. De amikor az elvégezendő feladatban fontos a környezet reakciója, és a slave szerkezet kárt okozhat a távolról irányított környezetben (csavar becsavarása, összeszerelés), az erő visszacsatolása elengedhetetlen a hatékonyság javítása érdekében. Az erővisszacsatolás fokozza az élményt, úgy érezheti az operátor, mintha ott lenne. Az operátor és a távolról irányított oldal közötti információ áramlását az 1-1. ábra ([3]) mutatja, ahol 3 típusú információ visszacsatolás látható (vizuális, hangi és az érintési). Habár az ember öt különböző visszacsatolást érzékel a környezetéből, de a telemanipulációnál csak hármat használtak fel.
59
2-36. ábra A telemanipuláció információ áramlása ([3])
A következő rész a telemanipuláció általános megközelítésével foglalkozik. Bemutatja a telemanuipulációs rendszer fő rétegeit. A 3. fejezet összefoglalja a master eszközök alaptípusait. A 4. fejezetben egy kis bemutató található a telemanipulációnál használt vezérlési módokról, az 5. fejezetben pedig az interneten keresztül történő késfogás alkalmazási példája található.
A telemanipuláció általános megközelítése 2.11.1.
Alapdefiníciók
2-37. ábra a telemanipuláció általános koncepcióját mutatja. A “világ” két részre van bontva: a Master Részre és a Slave Részre. A master – slave rendszer mint két információs csatorna jelenik meg: Hatás és Ellenhatás csatorna. A Hatás csatorna továbbítja az információt az operátortól a Távoli Munkatérhez. Az Ellenhatás csatorna pedig az ellenkező irányban működik: a Távoli Munkatértől az operátorig. A telemanipuláció hajnalán, az emberi operátor és az irányított környezet mechanikailag össze volt párosítva. Az információ mechanikusan áramlott, ami eléggé leszűkítette a az elvégezhető feladatokat. Manapság az információ elektronikusan áramlik, ami egy új dimenziót nyitott a slave oldalon. Az Ember – Robot rendszereket is már telemanipulációként lehet felfogni, ahol az ember és a robot szimultán dolgoznak a feladaton. Például egy távirányítású bomba hatástalanításnál a robotnak el kell érnie a bombát, majd a visszaszámlálót szét kell szerelnie slave manipulátorok segítségével. Ebben az esetben a navigációs és a manipulációs feladat különválhat. Amikor egy mobil robotcsoport összehangoltan mozgat egy nagy tárgyat, akkor az operátornak kell irányítani az 60
egész folyamatot. Általában a Slave Eszköz akár egy Multi Robot Rendszer is lehet, ahol több mint egy robotdolgozik együtt a feladaton. A Számítógépes Hálózati Vezérlés (Computer Networked Control) segítségével a rendszer kiterjeszthető. Az a koncepció az, hogy egy operátor és a robot páros helyett többszörös operátort, robot vagy akár több assistant agent-et használnak, amelyek összehangoltan dolgoznak együtt [4]. Az Ember – Robot típusú telemanipuláció a következők szerint osztályozható: •
Single master-- single slave
•
Multi-master-- single slave
•
Single master -- multi-slave
•
Multi-master-- multi-slave
2-37. ábra A telemanipuláció általános koncepciója
Tehát arra a következtetésre juthatunk, hogy a telemanipuláció hatásköre kiszélesedett és új terminológiák jelentek meg. Néhányat összegyűjtöttünk itt. A Teleoperátor az maga a gép, ami végrehajtja a műveletet a távoli helyszínen. A teleoperátor általános értelmezését használva, a Telerobot egy alosztály. Eredetileg a telemanipuláció a cselekvést jelentette, amiben a slave manipulátor leköveti a master manipulátor mozdulatait. Ebben az esetben a slave és a master manipulátor ugyan olyan struktúrájú. Ennek a koncepciónak a kiterjesztése azt jelenti, hogy a master eszközzel vezérelt és a slave eszközzel végrehajtott távoli helyszínen történt manipulációt, egy emberi operátor irányítja a master szerkezeten keresztül. Ezt a kiterjesztett értelmezést használva, a master és a slave eszköz felépítése különbözhet, de az egész manipulációs folyamatot az emberi operátor irányítja, azaz a slave oldalnak külön nincs intelligenciája. A következő lépés az intelligencia kiterjesztése. A slave eszköz megtanulhatja az emberi operátor mozgásait és követheti a betanult mozgást azon folyamatoknál, amikor az utasítás késik például a nem megfelelő internetkapcsolat miatt [5]. Néhány szerző a teleoperáció szót a telemanipuláció kibővített értelmezésként, néhányan pedig ugyanazon jelentéssel említik.
61
Az emberi operátornak szüksége van az illúzióra, hogy közvetlen kontaktusban van a távolról irányított környezettel, így tud megfelelő minőségű munkát végezni. Ilyen például a távolról egy vezérelt összeszerelés (szétszerelés), egy finom mechanizmus (időzített bomba). Az emberi operátor öt különféle érzetet érzékel (látás, hallás, érintés, szaglás és ízlelés), de csak az első háromnak a kombinációját használja fel a manipulációnál. Azt a pszichológiai érzést, hogy ”jelen van” egy környezetben, a technológiailag megalkotott ”belemerült” környezetben alakítják ki, ez a Telepresence (Telejelenlét) [6,7] érzés, amivel a megfelelő érzet kialakulhat. A master eszköz megkaphatja a szükséges információkat visszacsatoltan a slave eszköztől, abból a természetes érzésből adódóan, hogy fizikailag úgy érezzük, a távoli helyen tartózkodunk. Telepresence rendszerek a teleoperátorok alosztálya. Az hang-vizuális visszacsatolás jól kifejlesztett és jól elérhető manapság. A legnagyobb kihívást a tapintás visszacsatolása jelenti, ami szükséges, hogy a környezet fizikailag érezhető legyen. Ez az erővisszacsatolás kiterjesztése. Az emberi operátornak különböző érzékelő receptorai vannak, amivel különböző kontakterőket tud érzékelni. A tapintáson alapuló (bőr) visszacsatolást a mechanoreceptorok érzékelik, amik a csupasz bőrfelületen (főleg az ujjbegyeken) találhatóak. 50 – 350 Hz [8] –es sávszélességel képesek jelet átvinni. Így nagy részletességű információ is közölhető, mint például a felületnek minősége. Az erő (kinesztetikus) visszacsatolásnak kisebb jelátviteli sávszélessége van (10 Hz-ig), amit az izomban lévő receptorok és a csontrendszer biztosít. Ez például testtartással kapcsolatos információkat közöl. Az erővisszacsatolás nem csak növeli a hatékonyságot, de ki is szűri az operátor pontatlanságait.
2.11.2.
Az ideális Telepresence (Telejelenlét)
Egy tipikus telejelenlétben származó információ szükséges az irányított oldalról, hogy az emberi operátor el tudja végezni a feladatot. Így úgy érzékelheti, hogy fizikálisan jelen van a feladat elvégzésénél. Eszerint a teleoperátornak teljes átlátszóságot (transparency) kell biztosítania, ami azt jelneti, hogy a master-ből elküldött pozíció, sebesség és erő értékek a slaveen megjelentekkel egyenlőnek kell lenniük. Egy példa az egyszerű, távoli eszközre a távoli megfogó, amivel egy atomerőműben mozgattak tárgyakat [5]. Ha ez a megfogó merev, és könnyű mozgatni, akkor az operátor egyszerűen el tudja végezni a feladatot. Az ideális master – slave kapcsolat ábráját az 1-3. ábra mutatja forgó mozgás (a) és lineáris mozgás (b) esetén. Ha az operátor forgatja (mozgatja) a master rudat qm-mel (xm), akkor a slave rúdnak is qm-mel kell mozognia (qm= qs vagy xm= xs), és az operátornak érzékelnie kell a környezet reakcióerejét is (Fo=- Fe) ideális esetben. Ebből a példából látszik, hogy a teleoperátor megkívánt dinamikai
62
viselkedése közel áll a merev rúdéhoz, aminek a mechanikai tulajdonságai a nagy merevség és kicsi inercia. A master és a slave kar csatlakozásának végtelen merevségűnek és 0 tömegűnek kéne lennie.
a. Forgó mozgás manipuláció
b. Lineáris mozgás manipuláció
2-38. ábra Ideális Telepresence (Telejelenlét) rendszer
Habár a valóságban, még ha feltételezzük is, hogy a master és a slave fizikailag egyenlő, meg fog jelenni az időkésleltetés. Az ideális időkéslelteséses Telemanipulációs válaszok azért ismertek:
A teleoperátornak stabilnak kell maradnia.
Az emberi operátor által a masterre kifejtett erő egyenlő a környezetből visszaküldött erővel egyensúlyi állapotban. Ez segíti az operátorokat, hogy érzékeljék a visszaküldött erőhatást.
A master pozíciója megegyezik a slave pozíciójával egyensúlyi állapotban.
2.11.3.
A telemanipuláció speciális esetei
Telemanipuláció virtuális valóságban előnyös lehet, amikor az operátor betanulja a veszélyes vagy nehéz feladatok elvégzését, mint például radioaktív anyagok kezelése vagy robbanó tárgyak szétszerelése; repülőgép, helikopter vagy tengeralattjáró irányítása valós idejű szimulációs környezetben. Sőt a repülőgép és más jármű szimulátorok nagyon elterjedtek a szórakoztatóiparban is. Mind szakmai, mind kereskedelmi szempontból vonzó terület lehet. A telemanipuláció virtuális valóságban való alkalmazását mutatja az 1-8. ábra. Az operátor egy fejre szerelhető szerkezetet visel, ami a vizuális visszacsatolást végzi. A kar és a kesztyű típusú master eszköz biztosítja a tapintás érzését. Az operátor vizuálisan látja a tárgyat, amit meg tud érinteni és mozgatni is tudja [10].
63
2-39. ábra Telemanipuláció virtuális valóságban.
A mikró- és nanotechnológia megnyitott egy relatív új, felemelkedő telemaipulációs területet. A makró világból áttérve a mikró/nano világba, a legnagyobb különbség a tárgyak méretének a csökkenésében van, ahol a hossz változás hatását scaling-ként definiálták. Egyértelmű, hogy az erőt és a pozíciót szükséges átméretezni (1-9. ábra). A másik probléma az úgy nevezett sávszélesség hatás, ami azt jelenti, hogy a master eszköz (beleértve az emberi operátort) reakciójának a sávszélessége és a slave eszköz, nano/ mikró környezetének a sávszélessége különböző. A mikró/nano aktuátornak kisebb az időállandója mint a makró erővisszacsatoló eszköznek. Tehát egy impedancia átméretezés szükséges, hogy elkerüljük az instabilitást és a megbízhatatlan erő érzetét. Egyfajta időskálázásként is felfogható ez az állítás. Másképp megfogalmazva, a mikró/nano jelenség túl gyors lehet az emberi érzékeléshez, ezért le kell lassítani virtuálisan csatolt impedanciával. M icro E nviron m ent
H u m an E n v iro nm e n t
V isual Interface
S ca ling
H aptic Interface
2-40. ábra Mikró/nano teleoperációs rendszer.
Master eszköz mint tapintó interfész Az operátorok feladataikat főleg kézzel végzik, ezért a master eszközöknek illeszkedniük kell a kezükhöz. A telemanipuláció területén sok tapintó eszközt fejlesztettek ki. Ezeket az eszközöket sok különböző területen alkalmazzák, mint például az orvostechnika területein, az 64
atomenergiával kapcsolatos munkálatokban vagy a szórakoztatóiparban. A következőkben négy fontos master eszköz koncepciója kerül bemutatásra. •
Az erő visszacsatolással rendelkező joystickot a telemanipuláció fejlődésének korai szakaszában fejlesztették ki. Napjainkban már számos erő visszacsatolással rendelkező joystick kapható a kereskedelemben. Ez az eszköz optimális alacsony minőségi követelményekkel rendelkező telemanipulációs alkalmazásokhoz, például úgynevezett “pick and place” műveletekhez, ezen kívül rendkívül népszerű a videójátékok rendszereiben. Szintén fontos felhasználási terület a különböző járművek, például repülőgépek, helikopterek vagy tengeralattjárók, valós idejű szimulátorai. A legnagyobb probléma ezekkel az eszközökkel a dinamikus változások kezelése ("on the fly"), ugyanis egy további eszköz használata szükséges a joystick dinamikai egyensúlyának megtartásához, ami rendkívül fontos funkció a különböző precíziós műveletek elvégzésénél. Az eszköz másik hátránya, hogy csupán két szabadsági fokkal rendelkezik.
•
A mutató típusú master eszköz úgy működik mint egy hat szabadsági fokú manipulator, az operátor célozni tud vele egy távolihelyen. A “Phantom” [12] egy ilyen típusú eszköz (lásd: 2-41. ábra) ami direkt hajtást alkalmaz és híres a nagy felbontásáról, azonban csupán az ujjbegyekre terjed ki. Az operátor ezzel az eszközzel úgynevezett “tip type slave” eszközöket tud kezelni. Ezeket az eszközöket a felszíni manipulációkhoz használják széles körben, mint például a nano térben történő telemaipulációhoz. [11]
•
A kar típusú master eszköz (2-42. ábra) lefedi az emberi kart a válltól a csuklóig és hat szabadságfokkal
rendelkezik.
Az
ilyen
eszközök
hasznosak
lehetnek
olyan
alkalmazásoknál amikor az operátornak használnia kell a karját, hogy elvégezzen valamilyen feladatot egy távoli helyen, tipikus felhasználási terület például a bányászat. Néhány alkalmazásban előfordul, hogy az ilyen kar típusú master eszközök valamilyen komplex eszköz alrendszerét alkotják. •
A kesztyű típusú master eszköz teszi lehetővé használója számára a legösszetettebb és legkifinomultabb manipulációt [13]. Az emberi kéz a legszélesebb körben használt végtagunk, így a végső cél egy olyan rendszer kifejlesztése, amely segítségével a kezelője úgy érezheti, hogy az eszköz funkciói a teljes kezére kiterjednek. A telemanipuláció különböző típusai nem végezhetőek el erő visszacsatolás nélkül,a következőkben egy húsz
65
szabadságfokú, szenzorokkal felszerelt, erő visszacsatolásos, kesztyű típusú eszköz bemutatása következik. (lásd: 2-43. ábra)
2-41. ábra Mutató típusú master eszköz
2-42. ábra Kar típusú master eszköz
66
2-43. ábra Kesztyű típusú master eszköz
2.12.1.
Kesztyű típusú tapintó interfész
A.1 Mechanikai felépítés A kezelő csuklójának helyzetét induktív érzékelő méri. A szenzorokkal ellátott kesztyű erő visszacsatolással van ellátva minden egyes ponton, ahol az ujjakhoz csatlakozik, így kezelője úgy érezheti, hogy jelen van a távoli környezetben. Az ujjak modelljének mechanikai felépítése lentebb látható (2-44. ábra). A készüléket úgy tervezték, hogy kellő hely álljon rendelkezésre az érzékelők és működtetők számára és a kézhez szalagokkal legyen rögzíthető. A kesztyű összes mozgása egy fix bázishoz képest történik, amely egy, a tenyéren elhelyezett fém lemez. A fém lemezhez öt rotációs meghajtó van csatlakoztatva, amiken három billenő meghajtót helyeztek el.
2-44. ábra A szenzoros kesztyű mechanikai felépítése
A 2-45. ábra az eszköz egy szabadságfokának struktúráját mutatja. Az ujj ízületeinek nyomatékát nyúlásmérő bélyegekkel mérhetjük. A motorokban elhelyezkedő fordulat jeladókat az ízületek elfordulási szögeinek mérésére használják. Ideális esetben a motorok közvetlenül 67
az ízületekkel együtt mozognak, azonban a gyakorlatban nem áll rendelkezésre olyan motor ami elegendően kicsi és könnyű ahhoz, hogy a kézhez lehessen csatolni. A csigák és a csövekben található vezetékek szolgálnak arra, hogy az erőket a motorhoz továbbítsák. Egyetlen motor képes különállóan kezelni mind a húsz ízületet amely az emberi kézben található. Egy ízület megfeleltethető az eszköz két szegmensének. A legfőbb probléma a súrlódás, ugyanis az így fellépő erő miatt a kezelő nem tudja érzékelni, hogy melyik erő alakul ki a távoli környezetben. A súrlódási erő kompenzálásának lehetőségeiről szól a IV. fejezet. motor
strain gauge
wire encoder tube
human finger 2-45. ábra A szenzoros kesztyű egy szabadsági fokának struktúrája
Összegzés Az etológiai modell szemléltetése terén az egyik fő elvárás a robottal kapcsolatban az volt, hogy a mozgása ne legyen kötött, azaz élőlényhez hasonlóan ne csak elfordulni és két irányba (előrehátra) tudjon egy adott pillanatban elmozdulni, hanem képes legyen oldalazó, illetve pályán való haladás közben orientációt változtatni a pálya elhagyása nélkül. Tehát bármely pillanatban rendelkezzen a síkban lehetséges három szabadsági fokkal (holonomikus robot). Ehhez saját fejlesztésű robot alapra volt szükség. Ahhoz, hogy a robot képes legyen kötődéshez fűződő valamennyi hangulati elem megjelenítésére, egy fuzzy automatán alapuló érzelmi motort fejlesztettük. A robot viselkedésének kiszámításához olyan számítási kapacitás (három párhuzamosan működő számítógép) szükséges, amely a jelen technikai szinten nem helyezhető el a roboton, ezért fordultunk az intelligens tér koncepcióhoz, és fejlesztettünk ki egy mozgáskövető rendszert. A robot intelligenciáját elosztottuk a robotot körülvevő intelligens térben.
68
2.13.1.
Hivatkozások a bevezetőhöz
[1] Takarics Béla, Szemes T Péter, Korondi Péter, Superflexible Welding Robot Based on the Ubiquitous Computing Concept. In: 7th International Conference on Global Research and Education. Pécs, Magyarország, 2008.09.15-2008.09.18. pp. 237-246. Paper IA0168 [2] Korondi Péter, Bjørn Solvang, Baranyi Péter, „Cognitive Robotics and Telemanipulation”, Keynote előadás az EDPE 2009 Konferencián Dubrovnik, Horvátország, 2009.10.12-2009.10.14. [3] Sziebig Gábor, Korondi Péter, „Kognitív robotika” OGÉT 2010, pp. 408-415 [4] Solvang Bjørn, Korondi Péter, Sziebig Gábor, Ando Noriaki, SAPIR: Supervised and Adaptive Programming of Industrial Robots. In: Proc. 11th IEEE International Conference on Intelligent Engineering Systems (INES'07). Budapest, 2007.06.29-2007.07.02. (IEEE)pp. 281-286.(ISBN: 1-4244-1147-5) [5] Géza Szayer, Bence Kovács, Balázs Varga, Piros Sándor, Péter Korondi MOGI Robi, egy érzéseket kifejező robot, OGÉT 2011 [6] Topál, J., Miklósi, Á, Csányi, V. 1998. Attachment behaviour in the dogs: a new application of the Ainsworth's Strange Situation Test. J. of Comp. Psych. 112, 219-229.. [7] Gácsi, M., Topál, J., Miklósi, A., Dóka, A., Csányi, V. 2001. Attachment behaviour of adult dogs (Canis familiaris) living at rescue centres: Forming new bonds. Journal of Comparative Psychology, 115, 423-431
3. Opto-mechatronika trendek LED fényforrások A LED (Light Emitting Diode) fény emittáló dióda lényegében nyitó irányban működő félvezető rétegdióda, melyben a foton emisszió az injektált töltéshordozók p-n átmeneten végbemenő
rekombinációja
során
jön
létre.
Fizikai
besorolás
szerint
a
LED
elektrolumineszcens sugárzó, vagyis az emisszió elektromos energiával létrehozott kölcsönhatás eredménye. A LED-ek az SSL (Solid State Lighting) szilárdtest fényforrások családjába tartoznak.
3.1.1. A világító diódák történelme és fejlődése Az elektrolumineszcenciát, mint jelenséget 1907-ben fedezte fel H.J. Round [3] detektora segítségével, miközben szilíciumkarbiddal kísérletezett. Tű kontaktussal a kristályon átfolyó egyenáram hatására a tű környezetében a kristály sárgás-kékes fényjelenséget produkált. Ezt a jelenséget az orosz Oleg Vladimirovich Losev vizsgálta tovább, majd 1927-ben az első sugárzás emittáló dióda elkészítését jelentette be. Kísérletei számos orosz, német és angol tudományos folyóiratban megjelentetek, ám felfedezésének gyakorlati hasznát még évtizedekig nem kamatoztatták. Az első elektrolumineszcens fényforrásokkal kapcsolatos szabadalom Szigeti 69
György és Bay Zoltán nevéhez fűződik (1939 - Az elektrolumineszcencia jelenségét hasznosító fényforrás. Magyar szabadalom 140.587., USA Patent 2. 254.957.), az általuk készített SiC alapú fényforrás a hagyományos LED-ek ősének tekinthető. Ezután Rubin Braunstein 1955-ben tapasztalt infravörös tartományba eső emissziót szobahőmérsékleten, egyszerű dióda szerkezetnél, különböző félvezető ötvözetek esetén. 1961ben a Texas Instruments kutatói, Robert Biard és Gary Pittman gallium-arzenid (GaAs) diódák fejlesztése közben figyelték meg, hogy átfolyó áram hatására a dióda infravörös sugárzást emittált. Később szabadalmaztatták az infravörös LED-et. A nagy előrelépést a periódusos rendszer III. és V. oszlopában lévő elemek vegyületkristályain észlelt fényjelenség felfedezése hozta meg, a múlt század 60-as éveiben, amikor már szisztematikusan tudták keresni a jól világító félvezető rendszereket [4]. Az első, látható (vörös) tartományban sugárzó LED-et 1962-ben a General Electric kutatója Nick Holonyak fejlesztette ki, ezért őt tekintik a "fényemittáló diódák atyjának". Az első piacon is kapható LED 1967-ben jelent meg, melynek anyaga GaAs+LaF3YbEr volt. A vörös és narancssárgás-vörös LED-ek egyre gyakrabban kezdtek megjelenni különböző elektronikus eszközökben, elsősorban jelzőfényként és digitális kijelzőként. A hetvenes évek elején megjelentek az első LED-es hétszegmensű digitális karórák, melyek új technológiaként igen nagy szenzációnak örvendtek. A következő jelentős fejezet 1972-ben következett, amikor M. George Craford, aki Holonyak tanítványa volt, megalkotta az első sárga tartományban emittáló LED-et, emellett kutatásaival jelentősen javította a vörös, és vöröses-narancssárga fényű diódák fényerősségét. Később megjelentek a zölden világító diódák is. Az első kék tartományban világító InGaN diódát sikerült a legkésőbb kifejleszteni, ez Shuji Nakamurának sikerült 1995-ben, melyhez előzőleg igen fontos felfedezéseket használt fel a GaN p-típusú adagolásáról és zafír hordozón történő növesztéséről. A kék tartományban sugárzó és egyre növekvő hatásfokú LED-ek megjelenése gyorsan magával hozta a fehér LED-ek megjelenését is (1997), amihez kék tartományban gerjesztett, de sárga tartományban sugárzó foszfor fénypor bevonatot (YAG:Ce) alkalmaztak. Ezzel kék és sárga tartományba eső spektrumcsúcsokkal folyamatos fehér spektrumot hoztak létre. Az első, UV gerjesztést látható tartományba alakító fehér LED-et először 2001-ben mutatták be. A korai infravörös és vörös tartományban sugárzó diódák előállítási költsége rendkívül magas volt, darabonként körülbelül 200 dollárba került, ezért gyakorlati alkalmazása igen csekély volt. Majd 1968-ban a kezdetek a látható fényt emittáló GaAsP LED-ek sorozatgyártásába elsősorban kijelzők számára, melyeket a Hewlett Packard is alkalmazott termékeiben, 70
alfanumerikus kijelzőkben és számológépekben. A 70-es években a Fairchild Optoelectronics által kifejlesztett gyártástechnológiának köszönhetően az előállítási költség darabonként mindössze 5 cent körül volt [5]. A LED-ek fényhatásfokának növelésében a következő lépcsőfokot az első átlátszó indium-ónoxid (ITO) kontaktusok megjelenése jelentette 1995-ben, melyek eredményeképpen jelentősen nőtt a kilépő fény mennyisége. Majd 2009-ben jelentették be azt az eljárást, melynek segítségével a GaN alapú LED-ek szilícium hordozóra is kerülhetnek, zafírhordozó helyett. Ezzel az epitaxiás költségek 90%-kal csökkenthetők [6]. A LED-ek folyamatos fejlesztésének betudhatóan a fényforrások fényárama és hatásfoka az évek során exponenciálisan növekedett. A hatvanas évektől kezdve minden harmadik évben körülbelül megduplázódik, a Moore-törvényhez hasonlóan. Ez elsősorban a félvezető gyártástechnológiák fejlődésével, valamint az optikai és anyagtechnológiai újítások alkalmazásával magyarázható. Ezt a jelenséget Dr. Roland Haitz után Haitz-törvénynek nevezik (3-1 ábra).
3-1 ábra – A fényáram logaritmikus növekedése a gyártási év függvényében1
A lézerek ipari alkalmazásai A lézeres megmunkálás az ipar számos területén már a bevett gyártástechnológiák szerves részévé vált. A lézertechnika rohamosan fejlődik, amit az ipari alkalmazások, ha nem is olyan sebességgel, de igyekeznek követni. A kutatás-fejlesztés eredményeként megjelenő újdonságok
1
http://www.bulb-blog.com/blog/2011/6/27/moores-law-haitzs-law-and-the-led.html
71
rövid időn belül megjelennek a feldolgozóiparban. Ez a folyamat nyomon követhető Magyarországon is. Az első ipari alkalmazású lézerek a nyolcvanas évek közepén jelentek meg. Ezek főleg lyukasztási, vágási feladatokra alkalmas berendezések voltak. A kilencvenes években lassan gyarapodott a lézerek száma, majd az ezredforduló környékétől rohamosan emelkedni kezdett. A nagy teljesítményű, főleg szén-dioxid-lézerekről a kilencvenes évek végétől rendelkezünk többé-kevésbé pontos adatbázissal a forgalmazók és felhasználók együttműködésének köszönhetően. Az első hazai lézer-robot összekötés 1988-ban, a Tungsramban készült. A Nokia Puma robotból és TLS 60 CO2-lézerből álló rendszer műanyag alkatrészek 3D-s vágására volt alkalmas. CO2lézer manipulátorkaros sugárvezetése, robothoz csatolása a mai napig használatos megoldás. Az elmúlt 20 évben sokat változtak a robotok. A lézerek új generációi új rendszerépítési lehetőségeket kínálnak. A Magyarországon telepített ipari lézerek száma a 2000-es évektől kezdődően meredeken emelkedett, az emelkedésnek csak a 2008-ban kirobbant világgazdasági válság szabott gátat. Ipari gyártórendszerekhez használható lézerek Az elmúlt évtizedben a lézersugár a gyártórendszerek egyik legfontosabb szerszámává vált. A technológia szempontjából az egyik legfontosabb paraméter a hullámhossz és a munkadarab felületén létrehozható teljesítménysűrűség. A CO2-lézerek legnagyobb előnye a nagy teljesítmény és a jó sugárminőség. Rendszerépítés szempontjából a mérete és a bonyolult sugárvezetés okoz nehézséget. A lámpapumpált Nd:YAG-lézerek (Flash Lamp-Pumped Solid-State Laser – FPSS) sugárvezetése a robotos integrálás szempontjából előnyös, hátránya viszont a nagy energiaigény és a lámpa kis élettartama. A lámpa 500–1000 üzemóra között cserére szorul, és ez jelentős állásidőt jelenthet. A DPSS lézerek (Diode-Pumped Solid-State Laser) sugárminősége kb. kétszeres, hatásfoka négyszeres faktorral, míg szervizigénye akár nagyságrenddel is kedvezőbb lehet. Ezen jellemzők alapján rendszerbe építése egyértelműen előnyösebb. Alacsony üzemeltetési költségei miatt a magasabb beruházási költség ellenére is gazdaságosabb a rendszerbe építése. Az elmúlt években jelentősen megemelkedett a diódalézerekkel elérhető teljesítmény, így a felhasználási lehetőségek is kiszélesedtek. A sugárminőség nagyfokú javulása jobb sugárvezetést és fókuszálhatóságot eredményezett. Megjelentek a vágásban való alkalmazások. A jó hatásfok, a kis méret kedvezőbb rendszerbe építési lehetőséget teremtett, emellé társult a
72
diódalézerek árának folyamatos csökkenése is, segítve ezzel széleskörű elterjedésüket (7.1. ábra).
7.1 ábra A 2000-es évek közepétől DPSS lézerek új generációja jelent meg, a diszklézer (7.2 ábra). Mind a pumpálás alapelve, mind a rezonátor felépítése igen fontos újítás az iparban. A diszklézer zseniális kombinációja a szilárdtest- és diódalézereknek.
7.2 ábra: A diszk lézer A legújabb diszklézerek több egységből összerakva akár 10 kW teljesítményre is képesek már.
73
7.3 ábra Diszk lézer rendszer Nagy előnyük, hogy a sugárminőség a teljes teljesítménytartományban állandó, és nem érzékeny a reflexióra, továbbá a kiemelkedő sugárminőségű és nagy hatásfokú lézerteljesítmény optikai kábelen továbbítható. Lézer-robot integrálási lehetőségek: CO2-lézerekkel építhető lézer-robot rendszerek esetén lehetséges konstrukciók: •
tükrös sugárvezető kar illesztése a robothoz
•
lézersugárforrás rögzítése a robot utolsó tengelyére (kis teljesítmények esetén)
•
lézersugárforrás rögzítése a robot hordfelületére + rövid sugárvezető kar
•
álló megmunkálófej, robottal mozgatott munkadarab (ebben az esetben a robot a munkadarab továbbításában is részt vehet)
A standard ipari robotok évek óta készen állnak egy az előzőeknél kedvezőbb szerszám (lézer) fogadására. Ezek a robotok olcsóbb, kényelmesebb alternatívái a 3D-s, portálos CNC rendszereknek. A dióda- és diódapumpált lézerek teljesítménye, sugárminősége, hatásfoka és élettartama jó lehetőséget kínál lézer-robot rendszerek építésére. A rendszerelemek: 1. intelligens, dinamikus, megbízható és pontos mozgatórendszer 2. érintésmentes megmunkálásra képes kisméretű, könnyen mozgatható szerszám •
DPSS lézer esetén a robot utolsó tengelyére erősített megmunkálófejhez flexibilis szálon vezethető a sugár
•
diódalézer esetén a lézer kis mérete miatt a lézerfej akár közvetlenül a robot utolsó tengelyére erősíthető
Alkalmazási lehetőségek
74
•
autóipar
•
autóipari beszállítók
•
elektronikai ipar
•
háztartási elektronikai ipar
•
gépgyártás
•
csomagolóipar
•
orvosi műszergyártás
•
fémmegmunkálás
•
nemfémes anyagok megmunkálása
DPSS vágás, hegesztés Pl.:
7.1 táblázat Lézer alkalmazások Diódalézer: hőkezelés, felületi ötvözés, hegesztés Pl.: különleges műanyag-hegesztési lehetőség
Klasszikus és Modern megjelenítési technikák A klasszikus és modern megjelenítő eszközöket többféleképpen lehet csoportosítani. Léteznek − úgynevezett elektromechanikus kijelzők, − csavart nematikus térvezérlésű LCD / vákuum fluoreszcens kijelzők, − CRT (Cathod Ray Tube) kijelzők, − SED / FED (Surface-conduction Electron-emitter Display / Field-Emission Displays) kijelzők, − LCD (Liquid Crystal Display) / TFT (Thin Film Transistor) / kijelzők, − PDP kijelzők (plazma kijelzők), − elektronikus papír, − OLED (Organic Light Emitting Diode) kijelzők, −
75
DLP (Digital Light Processing) eszközök (DMD - digital micromirror).
A megjelenítő eszközök rendelkeznek bizonyos tulajdonságokkal, melyek mentén összehasonlíthatók egymással. Az első és legfontosabb a maximálisan alkalmazható pixelszám, amelyet az adott megjelenítő eszköz képes produkálni. Más szavakkal az elemi képpontok száma, amely képpontokat a megjelenítő eszköz használja. Fontos tudni, hogy egy sorban hány pixel van, és a képernyőn hány sor helyezkedik el. Fontos ismeret a pixelek címzésének módja is. A megjelenítő a képet előállíthatja raszteresen (sorról sorra) kirajzolva a képpontokat, vagy mátrixszerűen, minden pixelt külön megcímezve. További fontos tulajdonság a frissítési frekvencia, vagyis a képpontok állapotváltoztatásához szükséges minimális idő. Ehhez kapcsolódik az utóképek kérdése is. Ez azt mutatja, hogy az elemi képpont a kikapcsolása után mennyi idővel tér vissza ténylegesen nyugalmi állapotba. A kijelzőknél ezt a tulajdonságot nevezhetjük válaszidőnek is, amely idő ahhoz kell, hogy a pixel fényerejét megváltoztassuk. A kontraszt a részletgazdagságot jellemző érték, mely a legsötétebb és legvilágosabb pixel fényerejének hányadosa. A kijelzők maximális fényereje is fontos jellemző, amely CRT monitoroknál az elektronok felvillanásából, LCD monitoroknál pedig a háttérvilágításból származik. Főleg LCD monitorok fontos tulajdonsága a látószög, amely azt mutatja, hogy a monitoron megjelenő tartalom mely szögből látható még elfogadható minőségben, minőségromlás nélkül.
A kijelzők felbontásánál használatban vannak bizonyos szabványos pixelelrendezések, képarányok (5:4-től egészen a 16:9-ig, ahol a második szám a sorok száma, az első az egy sorban elhelyezkedő pixelek száma). Amíg a 4:3 képarány a régebbi CRT technológiánál volt általános, addig a szélesebb 16:9 képarány az újabb LDC és plazma kijelzőkkel terjedt el.
76
3-2. ábra Szabványos kijelző felbontások http://www.squidoo.com
Az 1980-as évek közepétől sorra jelentek meg a színes, grafikus megjelenítők: EGA (Enhanced Graphics Adapter, maximum 640 x 350 pixelszám, a megjeleníthető színek száma 16), VGA (Video Graphics Array, 640 x 480 pixelszámnál a megjeleníthető színek száma 16, illetve 320 x 200 felbontás esetén 256), SVGA (Super Video Graphics Array, maximum 800 x 600 pixelszám, a megjeleníthető színek száma 256), XGA (Extended Graphics Array, 1024 x 768 pixelszámnál, a megjeleníthető színek száma 256, 640 x 480 pixelszámnál pedig 65536).
Az alábbi szabványos elnevezések léteznek még: QVGA (Quarter Video Graphics Array, 320×240), QQVGA (Quarter-QVGA, 160×120), HQVGA (Half-QVGA, 240×160), WQVGA (Wide QVGA, 400×240), HVGA (Half77
size VGA, 480×320), WVGA (Wide Video Graphics Array, 800×480), FWVGA (Full Wide Video Graphics Array, 854×480), DVGA (Double-size Video Graphics Array, 960×640)
WXGA (Wide Extended Graphics Array , 1280×768), XGA+ (Extended Graphics Array Plus , 1152×864), WXGA+ (1440×900), SXGA (Super Extended Graphics Array, 1280×1024), SXGA+ (Super Extended Graphics Array Plus, 1400×1050), WSXGA+ (Widescreen Super Extended Graphics Array Plus, 1680×1050), UXGA (Ultra Extended Graphics Array, 1600×1200), WUXGA (Widescreen Ultra Extended Graphics Array, 1920×1200)
QWXGA (Quad Wide Extended Graphics Array, 2048×1152), QXGA (Quad Extended Graphics Array, 2048×1536), WQXGA (Wide Quad Extended Graphics Array, 2560×1600), QSXGA (Quad Super Extended Graphics Array, 2560×2048), WQSXGA (Wide Quad Super Extended Graphics Array, 3200×2048), QUXGA (Quad Ultra Extended Graphics Array, 3200×2400), WQUXGA (Wide Quad Ultra Extended Graphics Array, 3840×2400)
HXGA (Hex Extended Graphics Array, 4096×3072), WHXGA (5120×3200), WHSXGA (6400×4096), HUXGA (6400×4800), WHUXGA (7680×4800)
HD (high-definition, 1280×720), nHD (ninth of a Full HD, 640×360), qHD (quarter of a Full HD, 960×540), FHD (Full HD, 1920×1080), QHD (Quad HD, 2560×1440), QFHD (4K) (Quad Full HD, 3840×2160), UHD (8K) (Ultra HD, 7680×4320)
A fejezet további részeiben bemutatjuk az elektronikus kijelzők néhány fő típusát. Ilyenek a Split-flap, a Flip-disc, a VFD (vákuum fluoreszcens) valamint a csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelzők, a hagyományos katódsugárcsöves képernyők, a SED és FED felület-átvezetési kijelzők, az e-papír, a folyadékkristályos LCD / TFT, a plazma és a LASER kijelzők, továbbá az új technológiának számító OLED és LED kijelzők. Ugyancsak szót ejtünk a projektorokban alkalmazott DLP és DMD technikákról is.
3.3.1. Elektromechanikus kijelzők A split-flap kijelzők
78
A split-flap kijelzőknél egy előre definiált, korlátozott mennyiségű karakterkészlet, illetve rögzített grafika áll rendelkezésre. Minden karakterhelyen van egy forgatható tengely, amelyen, mint szárnyak helyezkednek el a grafikus táblák. Minden karakterhely két „pixelből” áll. Előszeretettel használják pályaudvarokon, repülőtereken.
3-3. ábra A split-flap kijelző www.williammalone.com
A flip-disc kijelző
A flip-disc vagy flip-dot kijelző a split-flap kijelző későbbi változata, amely gyakorlatilag egy pontmátrix. Ennél a kijelzőnél általában egy karaktert kevés számú „pixelből” állítanak össze, és minden „pixelt” ki-be lehet „kapcsolni” azzal, hogy egy elemet az átlója mentén kinyitnak és becsuknak, mert az elemek egyik fele világos, a másik pedig sötét.
79
3-4. ábra Flip-dot kijelző en.wikipedia.org
3.3.2. A VFD kijelzők A VFD (vákuum fluoreszcens) kijelzőket általában kevés információt megjelenítő eszközökben használják. Ezekben az esetekben használata gazdaságos (audio- és videoeszközök, háztartási gépek). A CRT technológiához hasonlóan a vákuum fluoreszcens kijelzőknél is a foszfor elektronokkal történő gerjesztésére bekövetkező fluoreszcenciát használjuk ki. A kijelzőben az elektronok kilépnek a fém katódról, amely egy 10 μm nagyságú izzószál és egy 50 V körüli rácsfeszültség felgyorsítja őket. A vákuum fluoreszcens kijelzők könnyen felismerhetők a rács méhsejthez hasonló alakjáról. Amikor az elektronok 100 V körül elérik az anódot, fény emittálódik. Az VFD robusztus, megbízható, nagy kontraszttal rendelkező, hosszú élettartamú eszköz. Hátránya azonban, hogy az aktív képmegjelenítő terület jóval kisebb a teljes mérethez képest, és csak igen korlátozott számú kvázi pixelt tartalmazhat.
80
3-5. ábra Vákuum fluoreszcens kijelző en.wikipedia.org
3-6. ábra Vákuum fluoreszcens kijelző en.wikipedia.org
3.3.3. Csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelzők A csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelző a később részletezett LCD kijelzők táborát erősítik. Mivel azonban történetileg indokolt, és meglehetősen gyakori kijelző típusról van szó, meg kell említenünk egy korai változatát, amely nem rendelkezik saját háttérvilágítással. A kijelző alsó szegmensében elhelyezkedő fényvisszaverő anyag biztosítja a megfelelő kontrasztot. Ahogy az LCD szegmensre feszültséget kapcsolunk, ott kitakarjuk a fényvisszaverődést, és sötét felületelem jön létre. Ezeket a kijelzőket láthatjuk a kézi számológépeinken is.
81
3-7. ábra Csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelző www.ryman.co.uk
3.3.4. CRT kijelzők A CRT (Cathode Ray Tube) – a hagyományos katódsugárcsöves kijelző az egyik legkorábbi, korszerű megjelenítő eszköz. Az első CRT kijelzőt Londonban mutatták be még 1926-ban, a feltaláló Karl Ferdinand Braun (Braun-cső, későbbi katódsugárcső) volt.
A CRT kijelző tartalmaz egy katódsugárcsövet, amelynek egyik végén egy elektronágyú található, a másig végén pedig egy foszforral bevont képernyő. Az elektronágyú által kibocsátott elektront egy elektromágneses térrel manipulálják két tengely mentén. Amikor az elektron az elülső falra felvitt foszforréteggel találkozik, gerjeszti az itt található luminofor képpontokat (melyek előállításához általában cinkvegyületeket használnak), egy pixelnyi felület felvillan, majd elhalványodik. Az ismételt ütközések következtében a pixel nem halványodik el, hanem folyamatosan világít. Az elektronágyúk így rajzolnak képernyőre a megfelelő vezérlés alapján. A katódsugárcsőben (üvegballon) vákuum van. A cső nyakában van a fűtött katód, amelyből termikus hevítés hatására elektronok lépnek ki. A kibocsátott elektronokat úgy térítik ki a manipulátortekercsek, hogy a képernyőn balról jobba, fentről lefele halad az elektronsugár nagy sebességgel, a frissítési frekvencia által jellemezve. Amikor az elektronnyaláb elérte a kép jobb alsó pontját, nagyon rövid idő alatt visszaugrik az első sor bal szélére. A sor és kép visszafutásának idejére az elektronnyalábot kioltják, így ezen idők alatt nem ír jelet a képernyőre. Tehát azt, hogy másodpercenként hányszor frissítjük a képpontokat, képfrissítési frekvenciának nevezzük, mértékegysége a Hertz. A mai monitorok 60–130 hertzesek (a shutter glasses háromdimenziós megjelenítési technikánál például fontos, hogy minimum 120 Hertz legyen ez az érték, mert így jön ki a szemenkénti 60-60 Herz).
Az első monitorok egyetlen szín árnyalatait tudták megjeleníteni, tehát monokrómok voltak. Gyakori színek voltak a fekete-fehér mellett a borostyánsárga és a zöld. A színes monitorok három alapszínnel rendelkeznek: a pirossal, a zölddel és a kékkel (additív, RGB színkeverés). Mindegyik színhez külön elektronágyú tartozik.
82
3-8. ábra Katódsugárcsöves képernyő en.wikipedia.org
83
3-9. ábra A színes televízió katódsugárcsövének felépítése (1. elektronágyú, 2. elektronnyalábok, 3. fókuszáló tekercsek, 4. eltérítő tekercsek, 5. anódcsatlakozó, 6. maszk a megjelenítendő kép vörös, zöld és kék részének szétválasztásához, 7. foszforréteg vörös, en.wikipedia.org
3.3.5. A SED és FED kijelzők A SED (surface-conduction electron-emitter display) kijelző működési elve hasonló a hagyományos katódsugárcsöves kijelzőkéhez, annyi különbséggel, hogy itt a viszonylag nagy távolságban elhelyezett elektronágyú helyett, a felületen létrehozott apró, nanométer nagyságrendű szénszálakból összeállított csatornák lövik az elektronokat külön-külön az egyes képpontokra. Ez a megoldás rendkívül kedvezőnek tűnik, hiszen két technológia előnyeit egyesíti. A megjelenített kép minősége a hagyományos CRT kijelzőkhöz hasonlatos, de a megjelenítő olyan vékony maradhat, mint a jelenlegi PLAZMA és LCD panelok. A SED kijelzők lényegesen jobb képminőséggel rendelkeznek még a plazmakijelzőknél is. Az első prototípus kontrasztaránya 50 000:1, mely egy nagyságrenddel jobb, mint amire a jelenlegi legjobb LCD kijelzők vagy plazmatévék képesek a legfeljebb 10 000:1 kontrasztarányukkal. A SED kijelző válaszideje néhány milliszekundumban mérhető, ami megszüntetheti a nagyobb LCD- és plazmatévéken látható szellemképet. A kijelző élettartama is jóval nagyobb, legalább 30 ezer óra nagyságrendű, miközben fele annyi energiát fogyaszt, mint hasonló méretű PLAZMA kijelző.
A FED (field emission display - téremissziós kijelző) a leginkább a SED kijelzőkre hasonlít, csak itt minden pixelre jut egy katód. Fizikailag vékonyak lehetnek, de előállítási költségeik igen magasak, úgyhogy igen ritkák a kereskedelmi forgalomban.
84
3-10. ábra A SED és FED kijelzők vázlata (balra egy CRT kijelző látható) en.wikipedia.org
3.3.6. Az EP (elektronikus papír) kijelzők Az e-papírt vagy elektronikus papírt a 1970-es években kezdték fejleszteni, majd több mint egy évtizedes szünet után az 1980-as évek végén újraindultak a kutatások. A létrehozását az motiválta, hogy kiváltsák a hagyományos papírra történő nyomtatást, ami a legtöbb esetben egyszeri használatot jelent. Mindezt úgy, hogy a nyomtatott anyag használatának komfort érzése megmaradjon. Az a cél, hogy a hagyományos, nyomtatott papírt kiváltsák, évtizedekre meghatározta azokat az elvárásokat, amiknek az e-papírnak meg kell felelnie, vagyis az epapírnak minél inkább hasonlítania kell egy igazi papírra, amin nyomtatott szöveg van. Ennek alapján három fő pillére volt a fejlesztéseknek. Az e-papír hajlékony, hasonlóan, mint egy papírlap. Az e-papíron megjelenő szöveg vagy ábra hasonlóan reflektál, mint a nyomtatott papír, vagyis külső fényforrás és nem háttérvilágítás teszi láthatóvá a tartalmat. A megjelenített szöveg megtartásához nincs szükség további tápellátásra. 1974-ben Nicholas K. Sheridon Xerox PARC-nál kidolgozza a Gyricon eljárást, ami lefektette az e-papír technológia alapjait. 2004-ben a Sony piacra dobja az első e-könyv olvasóját a LIBre-t. 2006ban Fujitsu bemutatja a 7.8”-es, színes e-papír prototípust, ami 4 szín megjelenítésére volt képes. Később szintén Japánban a Hitachi 13.1”-es, 8 szín megjelenítésére alkalmas e-papír reklámfelületeket próbált ki néhány közlekedési eszközön. 2009-ben árusítani kezdték a Fujitsu első színes e-papírral működő, hordozható eszközét,a FLEPia-t. 2012-ben a Fuji Xerox bemutatta a színszűrő nélküli, az elektroforézis elvére épülő színes e-papírt.
3-11. ábra Az E-papír elvi vázlata en.wikipedia.org
85
Párhuzamosan több fejlesztés is folyamatban van a különböző cégeknél, de az ezzel kapcsolatos technikai információk meglehetősen hiányosak, mert a kutatási anyagok egy részét ipari titokként kezelik. Az e-papír két fő részből áll: az úgynevezett előlap lényegében maga a tartalommegjelenítő e-ink, míg a másik rész a hátlap, az elektronika, ami elvégzi a tartalom létrehozását . A Gyricon (forgókép) eljárás lényege, hogy mikrokapszulákban golyók helyezkednek el, amit olaj vesz körül, ezáltal biztosítva a szabad forgómozgást. A golyók egyik fele fekete, a másik fehér, és attól függően fordulnak el a kapszulában az alul lévő elektróda felé, hogy milyen pólusú elektromos töltést kapnak a kapszulák. Így az elektromos töltést kapó egyes mikrokapszulákban a töltésnek megfelelően a mikrogolyók fehér vagy fekete fele fordul felfelé. A szöveg előállításához egy külső egység szükséges, ami a nyomtatókhoz hasonló elven, az epapíron a megfelelő területen, elektromos töltés segítségével létrehozta a kívánt tartalmat, ami azután meg is marad abban az állapotban. A mai e-papír fejlesztéseknél nem használják ezt a megoldást.
3-12. ábra A Gyricon működése en.wikipedia.org
Az elektroforézis jelenleg a legnagyobb teljesítőképességű, napjainkban is dinamikusan fejlődő elválasztástechnikai módszer. Erre az elvre épülő e-papír a gyártó vállalat fejlesztése, és jelenleg az e-könyv olvasóknál a legelterjedtebb és legfejlettebb monokróm technológia. A pontos technikai részletekről azonban keveset tudunk, mert a gyártó ipari titokként kezeli a részleteket. A Gyricon technológiához hasonlóan, itt szintén olajjal töltött mikrokapszulák vannak, amik nagyjából 100 mikron átmérőjűek, de egy kapszulában nem egy golyó, hanem több fekete és fehér töltéssel rendelkező ún. pigment részecskék vagy titán-dioxid szemcsék találhatók. Az első esetben a mikrokapszulák már nemcsak egy irányból, hanem alulról és 86
felülről egyszerre kapnak ellentétes töltést, és ennek hatására a fehér részecskék az egyik irányba, a fekete részecskék pedig a másik irányba mozdulnak el az átlátszó folyadékban, így kialakítva a felületen a kívánt tartalmat. A második esetben a titán-dioxid szemcsék színezet olajban fel-le mozognak. Ha fent vannak a szemcsék, akkor világos lesz a kapszula, ha lesüllyed, akkor sötét. Ez esetben elég csak alulra tenni elektródát.
Fejlesztések történtek az elektroforézis módszerére épülő színes tartalom megjelenítésére, ahol az egyes mikrokapszulák a három alapszín alapján színszűrővel vannak ellátva, és csoportokba rendezve. Itt a három kapszula a fénykeverés elvével hozza létre a kívánt színt. Természetesen, amíg monokróm technikánál egy képalkotó alapegység az egy kapszula, a színesnél három kapszula tölti be ezt a szerepet, ami azt jelenti, hogy ugyanazon eredményhez a színes kijelzőnek háromszor jobb felbontással kell rendelkeznie. Sajnos a színes kijelzők hatásfoka és színszaturációja nem éri el a kívánt szintet. A színszűrő nélküli kapilláris elektroforézisre épülő színes papír technológiája, ahol a részecskék maguk színesek, és minden színrészecske mozgását külön kezelik.
3-13. ábra Színszűrős kivitel működése en.wikipedia.org
Az EP kijelzők előnyei: − Nincs háttérfény ezért napfényben is könnyen olvasható. − A szöveg megtartása nem igényel befektetett energiát. − Alacsony a fogyasztása. − Kontrasztosabb képet ad, mint a háttérvilágítással rendelkező kijelzők. − Nagy a betekintési szöge, ezért több szögből is jobban olvasható, mint a háttérvilágítással rendelkező kijelzők. Az EP kijelzők hátrányai: 87
− Sötétben kiegészítő világításra van szükség, mert nincs háttérfény. − Drága a színes kijelző. − A színes kijelzők színválasztéka igen szerény. − Lassú a képfrissítés, ezért videólejátszásra alkalmatlan. Az e-papír mögött több évtizedes fejlesztés áll, és a technológia részbeni kiaknázása mindössze a 2000-es évek elején indult el, az e-könyv olvasók által. Azonban nem tekinthető úgy, hogy az e-könyv olvasókkal kapcsolatban a hosszú fejlesztési idő tervei beváltották volna az kezdeti célokat. Noha pénzügyileg az e-könyv olvasók egy fontos fejezet az e-papír fejlesztés folyamatában, de a jelenlegi felhasználás többnyire messze nem használja ki a benne rejlő lehetőségeket. Az e-papír azon képessége, hogy hajlékony és a megjelenített tartalmat megtartja energiaellátás nélkül, még nem kellően kihasznált előnyök. Annak lehetősége is fennáll, hogy a színes táblagépek olcsóságuk és gyorsaságuknál fogva, idővel átveszik ez e-könyv olvasók szerepét. Ez azonban nem befolyásolja az e-papír jövőjét, hiszen a fejlesztések messzebbre mutatnak, és később a tartalomközlő ipart forradalmasíthatja, ha az ára és a működése optimálisabb lesz. A hétköznapi tárgyakban is megjelenhet a dinamikusan frissülő színes felület. Már ma is létezik e-papír felületet használó karkötő vagy névtábla. A további fejlődési irányt jól mutatja, hogy bár több nagy vállat is fejleszt e-papír technológiákat, mégis ezen cégek zöme szinte kizárólag a színes kijelzők kutatásába fektet pénzt.
3-14. ábra E-book olvasó en.wikipedia.org
88
3-15. ábra Az e-ink elektroforézis technológia vázlata (1. felső réteg, 2. átlátszó elektródaréteg, 3. átlátszó mikrokapszulák, 4. pozitív töltésű fehér pigmentek, 5. negatív töltésű fekete pigmentek, 6. átlátszó olaj, 7. elektródapixel-réteg, 8. alsó támaszréteg, en.wikipedia.org
3.3.7. Az LCD / TFT kijelzők A folyadékkristály olyan anyag, amely a folyékony és szilárd halmazállapot között helyezkedik el, a molekulái között bizonyos fokú rendezettség figyelhető meg. Anizotrop tulajdonságú, vagyis a különböző irányultságú behatásokra (fény, elektromos és mágneses mező, mechanikai behatás stb.) másképpen viselkedik. 1888-ban Reinitzer osztrák botanikus felfedezte fel a folyadékkristályokat. 1963-ban Williams (RCA) kiderítette, hogy a fény másképpen haladt át a folyadékkristályon, amikor elektromos tér hatásának tette ki. 1968-ban Heilmeyer elkészült egy LCD prototípussal, azonban ekkor még nem voltak elég stabilak a folyadékkristályok a sorozatgyártáshoz. A University of Hull kutatói felfedeztek egy stabil folyadékkristályos anyagot (bifenil). 1973-ban a Sharp cég piacra dobta az első LCD kijelzős számológépét. A folyadékkristályos kijelzők őse a kvarcórákban fordult elő először. Folyadékkristállyal már 1911 óta kísérleteznek, működő LCD monitor azonban az 1960-as években készült először. Az LCD monitorok minősége egyre javul, áruk csökken, de egy jó CRT monitor még mindig teltebb színeket ad.
89
3-16. ábra LCD kijelző működése en.wikipedia.org
A folyadékkristályos megjelenítők alapgondolata, hogy a háttérvilágítást, amely a szemünkbe jut, egy olyan folyadékkristály-réteggel korlátozzuk, amelyet szabadon tudunk ki-be kapcsolni, ezzel eltakarva vagy átengedve a fényt. Ha a folyadékkristály-réteget elektromosan gerjesztjük, a közeg polarizációs síkja elfordul, és így a már polarizált háttérvilágítást vagy átengedi a közeg túloldalán lévő, 90 fokkal (az STN, super-twisted nematic kijelzőknél ez az érték 270 fok is lehet) elforgatott újabb polarizációs szűrő, vagy sem (illetve részben átengedi). Ha egy finoman rovátkolt felülettel (iránybeállító réteg) kerülnek érintkezésbe a folyadékkristály molekulák, párhuzamosan állnak be. Ha a folyadékkristályt két ilyen réteg közé fogjuk (amelyek egymásra merőleges orientációjúak), akkor az egyik és másik irányokba állnak be, a rétegek irányultságának megfelelően. Ha fény halad át ezen a szendvicsszerkezeten, akkor annak a polarizációs iránya is elfordul a molekulák irányultságának megfelelően. Ha a folyadékkristályra feszültséget kapcsolunk, akkor a molekulák átrendeződnek az elektromos tér irányába, így a fény változatlanul haladhat át. Tehát, ha az LCD monitorban két, belső felületén mikronméretű árkokkal ellátott átlátszó lap közé folyadékkristályos anyagot helyezünk, amely nyugalmi állapotában igazodik a belső felület által meghatározott irányhoz, a folyadékkristály csavart állapotot vesz fel. Ezt követően a kijelző első és hátsó oldalára egy-egy polarizációs szűrőt helyezünk (amelyek a fény minden irányú rezgését csak egy meghatározott síkban engedik 90
tovább). A csavart elhelyezkedésű folyadékkristály különleges tulajdonsága, hogy a ráeső fény rezgési síkját elforgatja. Ha hátul megvilágítjuk a panelt, akkor a hátsó polarizátoron átjutó fényt a folyadékkristály elforgatja, így a fény áthalad az első szűrőn, és világos képpontot kapunk. Ha kristályokra feszültséget kapcsolunk, nem forgatják el a fényt, az eredmény pedig fekete képpont. A polarizációs szűrő elé már csak egy színszűrőt kell helyezni. Több ezer féle folyadékkristály-molekula létezik. Három fő típusuk a nematikus (szálszerű), a koleszterikus (fokozatosan fordító nematikus) és a szmektikus (szappanszerű).
Az úgynevezett passzív mátrix vezérlőnél az egyik elektróda az alsó hordozón, a másik elektróda pedig a felső hordozón helyezkedik el. Az elektromos jeleket egy időben alkalmazzák az egyik és másik vezetékekre a megfelelő időzítéssel, így kapcsolják be az egyes pixeleket.
Az úgynevezett aktív mátrix vezérlőnél egy-egy tranzisztort vagy diódát helyeznek el minden pixelre, amelyek ki-be kapcsolják azokat. Mindkét elektróda ugyanazon a hordozón helyezkedik el, mint a tranzisztormátrix vagy a diódamátrix. A vezérlőjeleket az egyik, míg a videojeleket a másik elektródákra kötik rá.
A TFT (Thin Film Transistor - vékonyfilm tranzisztor) az LCD technológián alapul. Minden egyes képpontja egy saját tranzisztorból áll, amely aktív állapotban elő tud állítani egy világító pontot. Az ilyen kijelzőket gyakran aktív-mátrixos LCD-nek is szokás nevezni. A három elektródából felépülő tranzisztor kapcsolófunkciót lát el. A vezérlőjel hatására a videojel a folyadékkristály-cellára kerül. A megoldás előnye, hogy rendkívül gyors működésű.
3.3.8. A PDP kijelzők A PDP (Plazma Display Panel – plazma kijelzők) első, monokróm típusát 1964-ben a Plató Computer System készítette el, Gábor Dénes plazmával kapcsolatos kutatásai nyomán. Később, 1983-ban az IBM készített egy 19" méretű, monokróm, 1992-ben pedig a Fujitsu egy színes, 21 hüvelykes változatot. Az első plazmakijelzőt a Pioneer mutatta be 1997-ben. A gyártók jelenleg nagy erőkkel fejlesztik a minél nagyobb képátlójú kijelzőket (már a 100”-t is bőven meghaladják a legnagyobb kijelzők).
91
3-17. ábra A PDP kijelző felépítése en.wikipedia.org
A PDP működése az LCD-nél is egyszerűbb. A cél az, hogy a három alapszínnek megfelelő képpont fényerejét szabályozni lehessen. A PDP-nél a képpontok - a CRT-hez hasonlóan látható fényt sugároznak ki, ha megfelelő hullámhosszú energia éri őket. Ebben az esetben a neon és xenon gázok keverékének nagy UV-sugárzással kísért ionizációs kisülése készteti a képpont anyagát színes fény sugárzására, pont úgy, mint a neoncsövekben. Mivel minden egyes képpont egymástól függetlenül, akár folyamatos üzemben vezérelhető, a monitor a kellemetlen villogástól (frissítés miatt) mentes, akár 10 000:1 kontrasztarányú, tökéletes színekkel rendelkező képet is adhat, bármely szögből nézve. A régebbi PDP kijelzők képernyője gyakran „beégett”, ha egy adott területen folyton ugyanaz a grafikai elem jelent meg. Manapság ez már nem jellemző. A gázkisülésnek helyet adó kis cső ugyanúgy elhasználódik, mint az LCD kijelzőkben levő, egyébként cserélhető, a háttérvilágításért felelős fénycső. Az első kétezer órában erőteljes fény lassan csökkenni kezd, de az újabbak akár 60 000 órát is kibírnak.
92
3-18. ábra A PDP kijelző egy pixeljének felépítése http://www.vilaglex.hu
3.3.9. A lézer kijelzők A lézer (laser) kijelzők a jelenlegi hátérvilágításos kijelzőkhöz hasonlóan működnek, de a hagyományos vetítőegységekben alkalmazott nagy fényerejű lámpák helyett vörös, zöld és kék lézerfények kombinációjával állítják elő a képet. Ez a megoldás amellett, hogy kisebb helyigényű és energiafelhasználású, a lézerfény pontossága révén a színek finomabb keverését is lehetővé teszi. A lézer kijelző a fényesebb és színesebb képhez még a plazmaképernyőknél is szélesebb színtartományt kínál. A lézeres megjelenítés elterjedését a felületi lézertechnológia kifejlesztése tette lehetővé.
3-19. ábra A lézer kivetítő felépítése http://www.tinhte.vn
93
3.3.10.
Az OLED kijelzők
Az OLED technológiáját eredetileg az Eastman-KODAK fejlesztette ki 1985-ben. Ez az úgynevezett kis molekula technológiára épülő Small Molecule OLED (SMOLED) volt. Itt a fénykibocsátó réteg kis molekulasúlyú szerves anyagból épült fel, amelyet úgynevezett vákuumporlasztásos eljárással hoztak létre. Közel ezzel egy időben egy másik technológia is fejlesztésnek indult, ez a Polymer-OLED (PLED), melynek kifejlesztője a Cambridge University (1989) volt. A fénykibocsátó réteget itt óriás, molekuláris szerkezetű polimerek alkotják, amely réteget egy egyszerű technológiával, speciális tintasugaras nyomtatási eljárással hoznak létre. Az OLED-ek első kereskedelmi megjelenése 1999-re datálódik.
Az OLED-ek (Organic Light-Emitting Diode – szerves fénykibocsátó dióda) az egyik leginkább alkalmazható, és nagy perspektívával rendelkező kijelző típus. Az OLED p-n átmenetet képező rétegekből áll, mint a LED kijelzőknél, de itt a vegyületek szervesek. Ha a feszültség nyitóirányú, fény keletkezik abban a régióban, ahol az elektronlyukak és az elektronok újraegyesülnek. Mivel a szerves anyagok érzékenyek a párára és az oxigénre, ezért tokozást alkalmaznak. Az OLED-ek önsugárzók, nagy hatékonyságúak, és kiemelkedő optikai tulajdonságokkal rendelkeznek. Nagy lehetőség ígérkezik a rugalmas hordozó alkalmazására és a tömeges gyártásra (vékony fóliák). Továbbá, a szerves anyag egyszerű nyomatatásának lehetősége, a gyártást is olcsóvá teszi. A széleskörű alkalmazási lehetőségek a monokróm, nagy területű megjelenítéstől, a többszínű, videó és grafikus megjelenítésig terjednek. Az OLED kijelzőkben olyan szerves, félvezető vegyületek találhatók, amelyek elektromos gerjesztés hatására fénykibocsátásra képesek. A kibocsátott fény erőssége és színe az alkalmazott szerves anyagtó, és az esetlegesen hozzáadott színezőanyagok tulajdonságaitól is függ. A kutatások a mind jobb tulajdonságokkal rendelkező fehér, illetve a három alapszín, a kék, a zöld és a piros fényt emittáló, szerves anyagok irányában folynak. Az egyes OLED pixelek vezérlése, hasonlóan a LCD megjelenítőkhöz, történhet passzív és aktív módon. Az aktív mátrixos megjelenítési formát főleg a folyamatos mozgókép megjelenítésére alkalmazzák, köszönhetően a képpontok gyors ki- és bekapcsolhatóságának. Ezzel szemben a passzív mátrixos OLEDkijelzők inkább szöveg megjelenítéséhez használhatók a legjobban, így ideálisan funkcionálnak műszerfali elemként, vagy az audiorendszer fejegységének kijelzőjeként. Az OLED kijelzőkből készíthető flexibilis és transzparens megjelenítő is. Az OLED kijelzők képének fényessége és tisztasága szembetűnő. A fényes kép a kijelzők magas kontrasztjának és fénysűrűségének
94
köszönhető. Az LCD kijelzőkkel ellentétben nem igényelnek háttérvilágítást, sőt, a látószögük is jóval magasabb azokénál. Mivel a képpontok nagyon rövid időközök alatt ki-bekapcsolhatók, ezért a mozgókép megjelenítése jóval folyamatosabbnak tűnik az eddigi megoldásokhoz viszonyítva. Egy átlagos OLED kijelző közel háromszor akkora képfrissítési értékkel bír, mint amennyire egy átlagos videó zavartalan megtekintéséhez szükséges. Végül elmondható, hogy az OLED kijelzők áramfelvétele sokkal kisebb, mint az LCD vagy a PLASMA kijelzőké. Jelenleg az OLED kijelzők legnagyobb hátránya a viszonylag rövid élettartam. Ezt az értéket a fényesség mértéke határozza meg, hiszen magas fényesség esetén rövid, alacsony fényesség esetén pedig hosszú ideig képes működni a kijelző. Átlagosan, viszonylag alacsony fényerőértékek mellett körülbelül tízezer órás üzemidőről beszélhetünk. Az OLED kijelzők a legalkalmasabbak
a kisebb,
hordozható
eszközök
megjelenítőinek
(mobiltelefonok,
fényképezők stb.), vagy más futurisztikus termékek kijelzőihez.
Az OLED-ek előnyei: − Tintasugaras
nyomtatáshoz
hasonlóan,
egyszerű
technológiával
lehet
a
szubsztrátrétegre feljuttatni, ezért olcsóbban gyárthatók, mint a folyadékkristályos vagy a plazma képernyők. − Hajlékony szubsztrátokra is felvihetjük, ezért megnyílik a lehetősége a hajlékony vagy akár feltekerhető kijelzők gyártásának is, sőt akár ruhába varrható kijelzőket is gyárthatunk. − Közvetlenül bocsátják ki a fényt, ezért nagyobb szögből láthatók, mint a folyadékkristályos technológiájú kijelzők. − Míg az LCD kijelzők a háttérvilágítást szűrik, addig az OLED kijelzők a közvetlen fénykibocsátás miatt alig használnak áramot a fekete vagy sötét pixelekhez. − Válaszidejük gyorsabb, mint az LCD kijelzőké. Az OLED-ek hátrányai: − Kezdetben a legnagyobb probléma a szerves anyagok rövid élettartalma volt. Különösen a kék OLED-ek élettartalmával volt gond, mely nagyságrendre 14.000 óra volt, ami napi nyolc órás használat mellett öt évet jelent. Ezzel szemben az LCD és a LED technológiák 25.000-40.000 órát ígérnek.
95
− Az egyik színkomponenst kibocsátó OLED gyorsabban veszít a fényéből, mint a többi, ezért a színvisszaadás is megváltozik hosszú távon. Ezt korrigálni lehet elektronikusan, de bonyolult vezérlőáramkörök beépítését követeli meg. − Az OLED technológia energiatakarékos, egy átlagos kép esetén az LCD technológia által felhasznált teljesítmény 60-80%-a is elég a meghajtásához. Bár sötét képek esetén ez még kedvezőbb, 40% körüli, azonban főleg fehér hátterű képeknél akár kétháromszorosát is fogyaszthatják a folyadékkristályos technológiájú képernyőkhöz viszonyítva. − Az OLED pixeleinek élettartama a használattal csökken. Ezért, ha egyes színeket vagy képpontokat sokáig azonos tartalom kijelzésére használunk, a színegyensúly vagy a fényerő megváltozhat azon a területen, a beégés jelenségét produkálva. − Az OLED kijelzőket károsítja, ha tartósan UV-fénynek vannak kitéve, ezért ma a legtöbb OLED kijelző UV-szűrő panellel védett.
3-20. ábra Hajlékony OLED kijelző www.sat.hu
96
3-21. ábra Egy OLED pixel felépítése
inventorspot.com
3.3.11.
A LED kijelzők
Az LED (light emitting diode) a legalkalmasabb a nagy területű, úgynevezett videófalak kialakítására. A LED-eknek nagy a lumineszcenciája, nagy hatékonyságúak, hosszú élettartamúak és olcsók. Kültéri berendezéseknél is jól használhatók.
A LED háttérvilágítású LCD-televíziók (néhány gyártó ezeket LED TV-nek nevezi ) a hagyományos LCD-televíziókban használt fluoreszcens fények helyett LED háttérvilágítást alkalmaznak. A LED-eknek két fajtáját alkalmazzák a LED televíziókban. Vagy dinamikus RGB LED-eket helyeznek el közvetlenül a képernyő mögé, vagy fehér oldalvilágítású élvilágító LED-eket építenek be a képernyő széleibe, amelyek egy egyedi fényelosztó panel segítségével világítják be a teljes képernyőt. Ez a háttérvilágítási technológia lehetővé teszi, hogy csökkenteni lehessen a fényerőt a képernyő adott helyein , ahol sötétebb felületre van szükség a megjelenítéshez. Ezzel a háttérvilágítással valódi feketéket és fehéreket lehet megjeleníteni magas dinamikus kontrasztaránnyal, némi részletveszteség árán, olyan témáknál, ahol apró, fényes területek jelennek meg egy sötét háttér előtt. Az oldalvilágítással ultravékony LED háttérvilágítású televíziókat lehet gyártani. A fényt egy egyedi tervezésű
97
panel osztja el a képernyőn, amivel nagyon széles színskálát és valóban sötét feketét lehet megjeleníteni.
A LED háttérvilágítású LCD TV-k a következő főbb pontokban különböznek a CCFL (coldcathode fluorescent lamps) háttérvilágítású LCD TV-ktől: − Nagyobb dinamikus kontrasztarányú képeket jelenítenek meg, mint a CCFL háttér világítású LCD TV-k. − Az élvilágítású LED alkalmazásával nagyon keskeny készülékeket lehet gyártani. A jelenleg kapható ilyen televíziók kevesebb, mint 2 cm vastagok. − Sokkalta tágabb színkorlátokkal rendelkeznek, különösen az RGB LED használatával. − Kisebb a környezetkárosító hatása az életciklus végén. − Általában 20-30%-kal kevesebb energiát fogyasztanak. Mivel a LED-ek gyorsabban képesek ki- és bekapcsolni, valamint nagyobb a fényerejük, mint a CCFL képernyőké, nagyon magas kontrasztarányt lehet velük elérni, amivel sötétebb fekete szín és intenzívebb fényerő jeleníthető meg.
3-22. ábra LED fal 3djulio.com
3.3.12.
Projektorok és a DLP / DMD technikák
A projektorokban egyaránt alkalmaznak CRT, LCD és DMD technikákat. A LCD projektorok olyan kivetítők, amelyeknél egy LCD panelen keresztül érkezik a fény a vetítési felületre, amely panel színenként korlátozza a transzmissziót. Létezik hárompaneles és egypaneles változat. A 98
hárompaneles változatnál a három LCD panel (RGB) az egyes színösszetevőket adja. Az egypaneles változat csak egy LCD panelt tartalmaz, amin a fényforrás fényének alapszínekre bontása dikroikus tükrökkel történik, tehát nincs szükség színszűrőkre. Az LCD technikánál a hő elvezetésével és a tranzisztorok elhelyezésével küzdenek a gyártók. A CRT technikánál a vetített fényerőnek erős fizikai korlátai vannak. Ezen problémák kiküszöbölésére hozták létre a DMD technikát.
A DLP (digital light processing) digitális fény feldolgozást jelent. A DMD (digital micromirror device) pedig egy olyan DLP technológia, amely kisméretű tükröket (kapcsolókat) használ a fényutak manipulálására. Egy DMD eszközt úgy lehet leginkább elképzelni, mint egy általános PC processzort a felületén rengeteg miniatűr tükörrel (kapcsolóval). Minden fénykapcsolóhoz tartozik egy kb. 16 µm-es, négyzetalakú alumínium tükör, amely az alatta elhelyezkedő memóriacella állapotától függően két irányba verheti vissza a fényt. A tükör mozgatása elektrosztatikus tér segítségével történik, melyet a tükör és az alatta elhelyezkedő memóriacella közötti feszültségkülönbség létrehozásával érnek el. Ha a memóriacella bekapcsol, a tükör 1012 fokban megdől, amikor kikapcsol, a tükör visszaáll alaphelyzetébe. Amennyiben csak egy rövid pillanatra gyullad ki a képpont, azt halványnak, amennyiben pedig hosszabb időre, azt világosabbnak látjuk. A színes képet egy vagy három DMD chippel kombinált forgó vagy rögzített színszűrő segítségével valósítják meg. Az egyes alapszíneknek (vörös, zöld, kék) megfelelő képek a chip felületén alakulnak ki.
3-23. ábra A DMD technológia színkeverése m.ipon.hu
99
4-023 3-24. ábra A DMD technológia színkeverése m.ipon.hu
3-25. ábra A DMD pixelek felépítése www.hometheater.com
3.3.13.
Összefoglalás
A klasszikus és modern megjelenítő eszközöket többféleképpen lehet csoportosítani. Léteznek elektromechanikus kijelzők, csavart nematikus térvezérlésű LCD / vákuum fluoreszcens kijelzők, CRT kijelzők, SED / FED (Surface-conduction Electron-emitter Display / fieldemission displays) kijelzők, LCD (liquid crystal display) / TFT (thin film transistor) / kijelzők, PDP kijelzők (plazma kijelzők), elektronikus papír, OLED kijelzők és DLP eszközök.
100
A split-flap kijelzőknél egy előre definiált, korlátozott mennyiségű karakterkészlet, illetve fix grafika áll rendelkezésre. Minden karakterhely két „pixelből” áll. A flip-disc és a flip-dot kijelzők a split-flap kijelzők későbbi változatai, amelyek gyakorlatilag pontmátrixok. A VFD (vákuum fluoreszcens) kijelzőknél is a foszfor elektronokkal történő gerjesztésére bekövetkező fluoreszcenciát használjuk ki.
A csavart nematikus térvezérlésű LCD megjelenítők a LCD kijelzők táborát erősítik. A CRT kijelző tartalmaz egy katódsugárcsövet, amelynek egyik végén egy elektronágyú található, a másig végén pedig egy foszforral bevont képernyő. Az elektronágyú által kibocsátott elektront egy elektromágneses térrel vezérlik két tengely mentén, majd amikor az elektron az elülső falon lévő foszforréteggel találkozik, és az itt található luminofor képpontokat (melyek előállításához általában cinkvegyületeket használnak) gerjesztve, egy pixelnyi felületen felvillan, majd elhalványodik.
A SED (surface-conduction electron-emitter display) kijelző működési elve hasonló a hagyományos katódsugárcsöves kijelzőkéhez, annyi különbséggel, hogy itt a viszonylag nagy távolságban elhelyezett elektronágyú helyett a felületen létrehozott apró, nanométer nagyságrendű szénszálakból összeállított csatornák lövik az elektronokat külön-külön az egyes képpontokra.
A FED (field emission display - téremissziós kijelző) a leginkább a SED kijelzőkre hasonlít, csak itt minden pixelre egy katód jut. Az e-papír két fő részből áll. Az úgynevezett előlap lényegében maga a tartalommegjelenítő e-ink. A másik rész, a hátlap az elektronika, ami a tartalom létrehozását generálja.
A Gyricon (forgókép) eljárás lényege, hogy mikrokapszulákban golyók helyezkednek el, amit olaj vesz körül, ezáltal biztosítva a szabad forgó mozgást. A golyók egyik fele fekete, a másik fehér, és attól függően fordulnak el a kapszulában az alul levő elektróda felé, hogy milyen pólusú elektromos töltést kapnak a kapszulák.
A folyadékkristályos megjelenítők alapgondolata, hogy a háttérvilágítást, ami a szemünkbe jut, egy olyan folyadékkristály-réteggel korlátozzuk, amelyet szabadon tudunk ki-be kapcsolni, ezzel eltakarva, vagy átengedve a fényt. A folyadékkristály-réteget elektromosan gerjesztjük, aminek hatására elfordul a közeg polarizációs síkja, és így, a már polarizált háttérvilágítást 101
átengedi a közeg túloldalán levő 90 fokkal (az STN, super-twisted nematic kijelzőknél ez az érték 270 fok is lehet) elforgatott újabb polarizációs szűrő, vagy sem (illetve részben átengedi).
A TFT (Thin Film Transistor - vékonyfilm tranzisztor) az LCD technológián alapul. Itt minden egyes képpont egy saját tranzisztorból áll, amely aktív állapotban elő tud állítani egy világító pontot. A PDP működése az LCD-nél is egyszerűbb. A cél az, hogy a három alapszínnek megfelelő képpont fényerejét szabályozni lehessen. A PDP-nél a képpontok a CRT-hez hasonlóan látható fényt sugároznak ki, ha megfelelő hullámhosszú energia éri őket. A lézer kijelzők a jelenlegi hátérvilágításos kijelzőkhöz hasonló módon működik, de a hagyományos vetítőegységekben alkalmazott nagyfényerejű lámpák helyett vörös, zöld és kék lézerfények kombinációjával állítja elő a képet. Az OLED p-n átmenetet képező rétegekből áll, mint a LEDeknél, de itt a vegyületek szervesek. Ha a feszültség nyitóirányú, fény keletkezik abban a régióban ahol az elektronlyukak és az elektronok újraegyesülnek.
A LED háttérvilágítású LCD-televíziók (néhány gyártó ezeket LED TV-nek nevezi ), a hagyományos LCD-televíziókban használt fluoreszcens fények helyett LED háttérvilágítást alkalmaznak. A LED-eknek két fajtáját alkalmazzák a LED televíziókban. Vagy dinamikus RGB LED-ek helyeznek el közvetlenül a képernyő mögé, vagy fehér oldalvilágítású élvilágító LED-eket építenek be a képernyő széleibe, amelyek egy egyedi fényelosztó panel segítségével világítják be a teljes képernyőt. Ez a háttérvilágítási technológia lehetővé teszi, hogy a fényerőt csökkenteni lehessen a képernyő adott helyein, ahol sötétebb felületre van szükség a megjelenítéshez.
A projektorokban CRT, LCD és DMD technikákat is egyaránt alkalmaznak. A LCD projektorok olyan kivetítők, amelyeknél egy LCD panelon keresztül érkezik a fény a vetítési felületre, amely panel színenként korlátozza a transzmissziót. A DLP (digital light processing) digitális fény feldolgozást jelent. A DMD (digital micromirror device) pedig egy olyan DLP technológia, amely kisméretű tükröket (kapcsolókat) használ a fényutak manipulálására. Egy DMD eszközt úgy lehet leginkább elképzelni, mint egy általános PC processzort, a felületén rengeteg miniatűr tükörrel (kapcsolóval). Minden fénykapcsolóhoz tartozik egy kb. 16 µm-es, négyzetalakú alumínium tükör, amely az alatta elhelyezkedő memóriacella állapotától függően két irányba verheti vissza a fényt. A tükör mozgatása elektrosztatikus tér segítségével történik, amelyet a tükör és az alatta elhelyezkedő memóriacella közötti feszültségkülönbség
102
létrehozásával érnek el. Ha a memóriacella bekapcsol, a tükör 10-12 fokban megdől, amikor kikapcsol, a tükör visszaáll alaphelyzetébe.
3.3.14.
A felkészülést segítő kérdések
Hogyan csoportosítaná a klasszikus és modern megjelenítő eszközöket? Mit jelent a megjeleníthető maximális pixelszám? Hogyan definiálná a frissítési frekvenciát LCD kijelzőknél? Milyen szabványos képarányokat ismer? Mi jellemzi az EGA és XGA jelölésű kijelzőket? Milyen elektromechanikus kijelzőket ismer? Mutassa be a split-flap kijelzők működését! Mutassa be a flip-disc kijelzők működését! Hol alkalmazzák a vákuum fluoreszcens kijelzőket általában? Mi a csavart nematikus térvezérlésű LCD kijelző működési elve? Mutassa be a katódsugárcsöves kijelzőket és működésüket! Mi a szerepe a háromdimenziós vizualizációnál a képfrissítési frekvenciának? Mi a különbség a színes és szürkeárnyalatos katódsugárcsöves technika között? Mik azok a felületátvezetési elektron-emitteres kijelzők? Mi a különbség a SED és a FED kijelzők között? Mutassa be az elektronikus papír működési elvét! Mi az a Gyricon eljárás? Mutassa be a lényegét! Mi az elektroforézis? Mik az elektronikus papír előnyei és hátrányai? Mi a különbség az LCD és a TFT kijelzők között? Mutassa be a folyadékkristályos kijelzők működési elvét! Milyen típusú folyadékkristályokat ismer? Mi jellemzi a szmektikus típust? Mi a különbség a passzív és aktív mátrixú folyadékkristályos kijelzők között? Mutassa a plazma kijelzők működési elvét! Mire használják a kijelzőkben a lézereket? Mit tud az OLED kijelzőkről? Mutassa be az OLED kijelzők alapelvét! Mik az OLED kijelzők előnyei és hátrányai?
103
Mitől kell védeni az OLED kijelzőket és miért? Mire használják az LED-eket az folyadékkristályos kijelzőknél? Mi a különbség az LCD és a LED televíziók között? Mi az a DLP technológia? Mutassa be a DMD technológia lényegét! Mutassa be a DMD technológia két alapvető színkeverési módját!
3.3.15.
A fejezet fontosabb kifejezései
CCFL
PDP
CRT
pixelszám
csavart nematikus térvezérlés
plazma
DLP
QVGA
DMD
raszteres
EGA
SED
electron-emitter display
Split-flap
elektroforézis
super-twisted nematic
elektromechanikus kijelző
surface-conduction electron-emitter
elektronikus papír
display
FED
SVGA
fényerő
szmektikus
field-emission display
téremissziós kijelző
Flip-disc
TFT
frissítési frekvencia
vákuum fluoreszcens
Gyricon
vékonyfilm tranzisztor
high-definition
VFD
koleszterikus
VGA
kontraszt
XGA
LASER LCD luminofor nematikus OLED
104
3.3.16.
Felhasznált irodalom
[5.1] Atkinson, R.: Pszichológia (2003) Osiris Kiadó, Budapest. [5.2] Pléh Cs.: A lélektan története (2010) Osiris Kiadó, Budapest. [5.3]Bányai É., Varga K. (2013) Affektív pszichológia. Medicina Könyvkiadó, Budapest. [5.4]Carver, Charles S.,Scheier, Michael F. (2006) Személyiségpszichológia. Osiris Kiadó, Budapest. [5.5]Cole, Michael, Cole, Sheila R. (2003) Fejlődéslélektan. Osiris Kiadó, Budapest. [5.6]Csépe V., Győri M., Ragó A. szerk. (2007) Általános pszichológia 1. Osiris Kiadó, Budapest. [5.7]Smith, E.R., Mackie, Diane M. (2004) Szociálpszichológia. Osiris Kiadó, Budapest.
Illúzión alapuló technikák, autosztereogramok A térbeli megjelenítést biztosító technológiák számtalan csoportosítása ismert, ezek közül az egyik legismertebb az alábbi: •
volumetrikus megjelenítők,
•
autosztereó megjelenítők,
•
holografikus megjelenítők.
A másik fontos csoportosítás alapja az, hogy a térbeli hatás elérése során valóságos hullámfrontot hozunk létre, vagy csak ernyőn megjelenő képeket juttatunk az agyba. Már a tizenkilencedik század közepén ismertek voltak olyan sztereo megjelenítő berendezések, amelyekhez az ábrázolandó objektumról rajzot, vagy esetleg fényképet készítettek úgy, hogy azok a tárgyat két különböző pozícióban ábrázolták. Egy optikai berendezéssel ezeket a képeket külön-külön, azaz szétválasztva juttatták be a szembe, így az agy tulajdonképpen a tárgyat két szemmel látta, létrehozva így a térbeliség érzését. A megjelenítendő tárgyról általában az emberi szem bázistávolságára lévő pozícióból készítették a képeket. Az ilyen berendezések azonban korlátozott látómezejűek és színterűek voltak. A kép nélküli térbeli megjelenítés az újabb idők terméke. Itt általában hullámfrontrekonstrukciót valósítunk meg. Ennek tipikus példája a hologram, mely készítése során olyan eszközt hozunk létre, mely visszaállítja az ábrázolandó, valóságos tárgy felületéről visszaverődő hullámfrontot. A tárgy egyszerű szemlélése esetén, annak felületéről – a tulajdonságait hordozó –, reflektálódó hullámfrontot engedjük a szemeinkbe, ezáltal az agy képes a térbeliség érzésének létrehozására. Ha a tárgyról érkező hullámfrontot egy referenciahullámmal hozzuk kapcsolatba, akkor azok hatnak egymásra, és interferencia jelenséget hoznak létre. Ha ezt az interferencia jelenséget rögzítjük, majd ezt a referenciahullámmal hozzuk kapcsolatba, akkor gyakorlatilag az 105
eredeti hullámfrontot kapjuk vissza. Tehát a hologram rekonstrukciója során a tárgyról érkező hullámfront helyett, annak egy mesterségesen előállított változatát bocsátjuk a megfigyelő szemébe, így biztosítva a térbeliség hatásának létrejöttét. A holografikus megjelenítők ezt a hatás érzését hivatottak létrehozni. Eszközigényük viszonylag költséges, ez széleskörű elterjedésük korlátja.
3.4.1. A korszerű sztereo-szétválasztásos módszerek Az alapgondolat itt is változatlan; az agyi szinten létrejövő térbeliség érzetéhez a megfigyelést végző személy jobb, illetve bal szemébe egyazon tárgyról, tárgyrészről, vagy térrészről különböző perspektívából készült felvételeket juttatjuk. Ezáltal biztosítjuk, hogy agyi szinten létrejöjjön a térbeliség virtuális hatása. Ezekkel a módszerekkel - a legtöbb esetben - ugyanolyan fényviszonyokkal rendelkező térrészben végezzük a sztereoszkopikus látványt eredményező képi információk kódolását és dekódolását. A szakirodalom megkülönböztet szín-, polarizációs, idő- és térbeli szétválasztáson alapuló módszereket. A passzív eljárások lényege, hogy nincs szükség a térbeliség érzésének létrehozásához aktív eszközre. E módszerek között a legrégibben alkalmazott a polarizációs elven működő háromdimenziós megjelenítő, melynek legfontosabb elemei a lineáris polarizációs szűrők. A módszer nagy előnye, hogy színhelyes látványt ad, annak ellenére, hogy a vetítéskor és a szemléléskor is szükséges polarizációs szűrők jelentős denzitása (tömöttsége) a látványt erősen fényszegénnyé teszi. Az eszköz két vetítőt tartalmaz, melyek egymásra merőleges polarizációs síkú szűrőkön keresztül vetítik ki a két különböző pozícióból készített képet. A vetítéshez egy speciális felületi kiképzésű ernyőt alkalmaznak, amely nem befolyásolja a ráeső fény polarizációs állapotát, ez ugyanis a hatás szempontjából káros lenne. A megfigyelő szintén olyan szemüvegpáron keresztül szemléli az ernyőt, amely két – egymásra szintén merőleges polarizációs síkú – szűrőt tartalmaz. A térbeliség érzésének eléréséhez az egyik szemébe csak az egyik, míg a másik szemébe csak a másik vetítőből származó kép jut. Az alkalmasan megválasztott irányú, lineárisan polarizált fényt, a rá merőleges polarizációs síkú szűrő nem engedi át, míg a vele azonos polarizáltságú átengedi. A módszer hátránya – a fényszegénységen túl –, hogy a két optikai út nem tökéletesen választható szét, így közöttük úgynevezett áthallás jön létre. Érzékeny a módszer továbbá a megfigyelő fejének szögére is, ez még tovább fokozza az áthallás illúzióromboló hatását. Technikai nehézség ugyan, de gondosan ügyelni kell arra, hogy a vetített képek pozíció és nagyítás szempontjából illeszkedjenek, ugyanis ennek hiányában a látvány nem térbeli hatású, sőt egyenesen zavaró. Előny viszont, hogy a szem bázistávolságához képest nagyobb távolság választása a felvételek készítése során, fokozottan hat a térbeliség látványára. A távolságot minden határon túl növelve, már szinte hihetetlen térbeliségű képek állíthatók elő. Összefoglalva tehát megállapítható, hogy a polarizáció elvére építve előállítható a térbeliség érzése. Ehhez egy polarizációs szűrőkkel ellátott szemüvegre, és szintén polarizációs szűrőkkel 106
kiegészített optikai rendszerekkel rendelkező vetítő, vagy polarizációs megjelenítő egységekre van szükség. A szemüvegekben lévő, eltérő polarizációs síkú szűrők biztosítják az ernyőről érkező, szintén egymásra merőleges polarizáltságú képek szétválasztását. Sajnos a lineáris polarizációjú szűrők alkalmazása a térbeli megjelenítést a fej pozíciójának szempontjából rendkívül érzékennyé teszi. Jelenleg ez a módszer tekinthető a legolcsóbb, otthoni körülmények között is alkalmazható, háromdimenziós megjelenítés eszközének.
Volumetrikus (térbeli) háromdimenziós technikák A térbeli 3D megjelenítés esetén egy diffúzan reflektáló anyagra, esetleg valamilyen féligáteresztő közegre vetítenek vezérelt sugarakat nagy sebességgel, így a szem által érzékelt képek az agyban nem választódnak szét, összemosódnak és a térbeliség látszatát keltő elemekké állnak össze. A diffúziót biztosító felületekről a sugarak visszaverődnek, de egy részük át is haladhat rajtuk. Ennek megfelelően léteznek reflexiós, transzmissziós és vegyes rendszerek. Hasonlóan, a felületek is mozoghatnak vagy állhatnak, így megkülönböztethetünk álló vagy mozgó ernyős, illetve dupla vagy sokrétegű rendszereket. A volumetrikus megjelenítők egyik legnagyobb hátránya, hogy a tárgyak csak az ernyő által behatárolt térfogatban jeleníthetők meg. A többrétegű rendszerek tulajdonképpen egy egyszerűsített változatot takarnak, ugyanis a térbeliség csupán néhány diszkrét rétegre korlátozódik. Itt általában néhány folyadékkristályos rétegre vetítenek párhuzamosnak tekinthető vetületeket, és ez adja a térbeliség érzését. E rétegek száma a legkorszerűbb rendszerekben sem haladja meg a húszat. Legnagyobb hátrányuk, hogy a megjelenített objektumokra szellemképek vetülnek, ugyanis a beérkező fénysugarak egyik rétegben sem nyelődnek el tökéletesen, hanem továbbhaladnak.
Ha egy képet gyorsan forgó felületre vetítünk, háromdimenziós képet állíthatunk elő. Nagyjából ezen az egyszerű elven alapul a térbeli megjelenítő eszközök működése. Ezek a készülékek valódi háromdimenziós, körbejárható képet jelenítenek meg. A berendezések speciális LED-es fényforrása fokonként más és más képet vetít egy megjelenítő közegbe (légnemű, folyékony vagy szilárd). Így az előttünk megjelenő kép is mindig eltérő, ha más szögből nézzük. A végeredmény egy szoborszerű, bármely irányból megtekinthető és körbejárható kép, melyhez még mélységérzet is társul.
A volumetrikus kijelzők tehát olyan megjelenítő eszközök, amelyek képesek a különféle objektumok valós térbeli reprezentálására, kijelzésére a háromdimenziós térben. A térbeli kijelzők tehát alkalmasak háromdimenziós vizualizáció létrehozására, az x-, y-, z-síkokban jól definiált régiók fényemissziójával, fényszórásával továbbá fényáteresztésével. 107
3-26. ábra Volumetrikus kijelző I.
3-27. ábra Volumetrikus kijelző II.
108
3-28. ábra Volumetrikus kijelző III.
109
3-29. ábra Volumetrikus kijelző IV.
3.5.1. Statikus, volumetrikus kijelzők A statikus, volumetrikus kijelzőknél a megjelenítő berendezés nem tartalmaz olyan aktuátorokat, melyek a képtér egyes pontjainak reprezentálását dinamikusan valósítják meg. Ezekben a kijelzőkben az egyes képpontok (voxelek – volume, térbeli pixelek) reprezentálását statikus források biztosítják, állandósult üzemben, és csupán a voxelek elhelyezésénél van szerepe a mozgató mechanizmusoknak.
Ezekben a kijelzőkben az aktív elemekből egy címezhető térrészt alakítanak ki. Az elemek kikapcsolt állapotban átláthatóak, míg bekapcsolt állapotban átláthatatlanok. Amikor a voxelek a definiált térben aktívak, akkor egy kvázi stabil és szilárd mintázatot hoznak létre a kijelző terében.
A különböző volumetrikus kijelzők más és már alapközeget használnak a kijelzési térben. Létezik gáz, folyékony és szilárd halmazállapotú alapanyag. Ezeket az alapközegeket általában lézerfénnyel gerjesztik, és ezzel az alapanyagok elektromágneses sugárzás kibocsátására ösztönzik a látható tartományban.
Más kijelzőknél normál levegőt használnak, mint alapanyag, és ezt a közeget nagyteljesítményű és jól fokuszált, impulzus üzemű lézerekkel gerjesztik. Az infravörös lézerfény fókuszpontjában a levegőből plazma jön létre, és ugyancsak fénykibocsátás tapasztalható a látható tartományban. A lézerfény fókuszpontját forgó tükrök és mozgó lencsék vezetik a kívánt térpontra, ahogy pattogó
110
hangok kíséretében kirajzolódnak a voxelek. Ezzel a technikával nagyobb terjedelmű megjelentés is kivitelezhető – felhőkre és ködre is történhet kijelzés.
3-30. ábra Statikus volumetrikus kijelző
3.5.2. Dinamikus, volumetrikus kijelzők Léteznek forgó és rezgő, dinamikus, volumetrikus kijelzők. A forgó felületű, háromdimenziós megjelenítők működési elvének alapja, hogy az emberi látás a gyorsan egymás után következő expozíciókat mozgásként érzékeli. Hozzávetőlegesen másodpercenként 20 expozíciót már mozgásnak érzékelünk. Ezt a hatást oly módon is lehet értelmezni és alkalmazni, hogy az egyes voxel konfigurációk, beállítások nagyon gyorsan követik egymást, így a teljes kép is láthatóvá tehető. Ehhez a kijelző egyszerre csak egy voxelt jelenít meg, de ezt igen gyorsan teszi. Ez az időbeli felbontás azonban nem összemérhető az előbbi 20 expozíció / másodperces felbontással. Ehhez jóval nagyobb felbontásra van szükség. A szaggatásmentes kijelzéshez a teljes voxel konfigurációt ki kell jelezni másodpercenként legalább 50-60 alkalommal. Ebben az esetben a kép a katódsugárcsöves monitorokhoz hasonlóan villogásmentes lesz.
A dinamikus, volumetrikus kijelzőknél a teljes konfiguráció szeletekre bontása is kivitelezhető. Ezek a szeletek lehetnek téglalapok, korongok vagy spirálisan kereszt-szekcionált alakúak. A felületeken megjelenített képek a felületre vetített vagy a felületre beültetett LED diódák segítségével történhet. Ezek a voxelpontok a forgással vagy rezgéssel szinkronban változhatnak, így létrehozva a változó képet.
111
3-31. ábra Dinamikus volumetrikus kijelző
112
A háromdimenziós technikák alkalmazási lehetőségei A háromdimenziós megjelenítési technikákat rendkívül széles körben alkalmazzák. Kezdetben és jelenleg is a legnagyobb felhasználási területe a filmipar (háromdimenziós mozi és TV). Elterjedten alkalmazzák
a
háromdimenziós
technikákat
továbbá
az
iparban,
kutatásban
és
az
orvostudományokban, koncerteken, sporteseményeken, videojátékokbanl, az oktatásban és újabban a YouTube-on is.
3.6.1. Háromdimenziós számítógépes játékok és más szoftverek A háromdimenziós technikák talán legdinamikusabban fejlődő ágazata a háromdimenziós, számítógépes játékok és az internetes online játékok. Napjainkban már szerény összegekért bárki hozzájuthat egy háromdimenziós megjelenítő eszközhöz, és szabadon játszhat háromdimenziós játékokat, vagy használhat komolyabb háromdimenziós szoftvereket. Amíg a háromdimenziós megjelenítéssel felvértezett játékok még valóságosabbá varázsolják a felhasználók számára a virtuális valóságot, addig az esetleges háromdimenziós tervezőrendszerek felhasználóinak megkönnyítik a tervezés fáradtságos műveletét. Míg első esetben a szórakoztatás és a kikapcsolódás fokozása cél, a második esetben pedig a professzionális munkavégzés egyszerűsítése. Ami viszont közös e tevékenységekben, hogy a háromdimenziós élmény fokozza a hatékonyságot, akár pihenésről, akár munkáról van szó.
3.6.2. Háromdimenziós mozi Napjainkban a háromdimenziós ipar egyik húzó ágazata a háromdimenziós mozifilmek vetítése. Az összes háromdimenziós „fellángolás”, amely a múlt évszázadokban bekövetkezett, mind a szórakoztatással függött össze és nem a tudománnyal. Ma már nincs olyan mozi, amelyben ne lenne legalább egy, háromdimenziós filmek vetítésére szolgáló terem (kivéve talán a művész mozikat). A közönség még mindig rajong a háromdimenziós tartalmakért, bár az utóbbi időben, mintha vesztett volna vonzerejéből a háromdimenziós mozizás. (Számos oka lehet ennek a kedvezőtlen trendnek.)
A mozik többségében a háromdimenziós tartalmak vetítése teljes mértékben digitálisan történik, háromdimenziós multiplexerek segítségével. A felhasználóknak cirkuláris polarizációs szűrős szemüveget kell viselniük a filmnézés közben. A tapasztalattal megerősített elmélet szerint az ilyen filmek vetítése csökkentett fényintenzitással történik. Ezek alól természetesen kivételt képez az IMAX technológia. 113
3.6.3. Háromdimenziós televíziózás Napjainkban elterjedten használnak otthoni háromdimenziós televíziókat. Újabban bekerültek az otthonokba a szemüveg nélkül nézhető autosztereokópikus kijelzők is. Előbbieknél a felhasználóknak kellemetlenséget okozott a szemüveg viselete, és ezért csak különleges alkalmakkor ültek le megnézni egy-egy háromdimenziós filmet. Ezekben az esetekben pedig teljesen ki kellett zárni a környezet zavaró hatását, és a televízió világosságának csökkenése is zavaró lehetett. Az újabb autosztereokópikus kijelzőknél nincs fényerőesés, és a szemüvegviselettel járó kellemetlenség, azonban a tartalmak rosszabb minőségben lesznek láthatóak a kijelzőn. Világszerte sok televíziós csatorna indította el a háromdimenziós tartalmak folyamatos vetítését. Ezek a tartalmak általában nagyobb sportesemények és híresebb filmek. Természetesen létrejöttek a háromdimenziós tartalmak tárolására szolgáló eszközök is, mint például a Blu-ray disc, amelynek kapacitása jóval meghaladja egy szabványos DVD kapacitását, így alkalmas az egyébként sokkal nagyobb helyfoglalású, háromdimenziós tartalmak tárolására.
3.6.4. Háromdimenziós vizualizáció az iparban és az egészségügyben A háromdimenziós megjelenítés talán legkomolyabb területe az egészségügy és az ipar. Amíg az egészségügyben a háromdimenziós megjelenítés segítségével csökkentik a valóságos beavatkozások kockázatát, addig az iparban növelik a munkavégzés hatékonyságát, illetve minimalizálják a valóságos körülmények között bekövetkező hiba kockázatát. Az egészségügyben és az iparban egyaránt fontos, hogy a felhasználók (ez esetben orvosok és mérnökök) minimalizálni tudják azt a kockázatot, amelyet a megtervezett beavatkozás, illetve a konstrukció virtuális próba nélküli megvalósítása jelentene. Fontos továbbá, hogy a távgyógyászatban (kihelyezett katonai sebészet) és a nagy távolságokra lévő kutató laboratóriumokban elhelyezett berendezéseket (VIRCA rendszer) ruházzuk fel a valóság illúziójával. Ezzel elérhetővé válik az esetleges hibák számának radikális csökkentése.
3.6.5. A háromdimenziós megjelenítés alkalmazásának lehetőségei Kérdésként merülhet fel, hogy a háromdimenziós megjelenítés és vizualizálás, illetve ezek eszközei, mely kutatási és piaci területeken jelentenek új irányt a jövőbeli munkákhoz. Erre választ maga az alapjelenség adhat, ami egyértelművé teszi, hogy ez a technika az emberi látás teljes folyamatába 114
illeszkedik, illetve azt új lehetőségekkel egészíti ki. A három dimenzióban megjelenített térbeli objektumok: •
az ember számára könnyebben értelmezhetők,
•
részletgazdagabbak,
•
lehetőséget adnak a lényeg kiemelésére,
•
biztosítják a valós és az animált objektumok átmenettel történő, illetve átmenet nélküli kapcsolódását,
•
realisztikustól eltérő tulajdonságok hozzáadásával segítik az áttekinthetőséget,
•
fizikai értelemben vett pozícióváltás nélküli térbeli bolyongás érzését kelthetik,
•
IT
(information
technology)
eszközök
alkalmazásával
lehetőséget
nyújtanak
a
telemanipuláció valósághű megvalósítéséra, •
a hatás tárolható, időben és térben bármikor reprodukálható.
Mindezek alapján a minőségi térhatást megvalósító eszközök hasznosak lehetnek: •
a tudomány,
•
a kutatás,
•
az oktatás,
•
a gyógyítás
•
és a szórakoztatóipar
szinte minden területén. A rendszerek telekommunikációs támogatással alapját képezhetik a: •
a 3D internetes fórumoknak,
•
a virtuálisan kibővített platformoknak,
•
a valósághű tervezőfelületeknek,
•
az otthoni szórakoztatásnak,
•
a rehabilitációnak,
•
az idősgondozásnak
•
és a biztonságtechnikai távfelügyeletet igénylő megoldásoknak.
3.6.6. A háromdimenziós megjelenítés távlatai Napjainkban a szemüveggel kiegészített sztereó megjelenítő technológiák jelentik a technikailag megfelelő, érzet szempontjából kielégítő és zavarmentes, gazdaságilag a legelérhetőbb, leginkább felhasználható, térhatású megjelenítés megoldásait, a háromdimenziós vizualizációt. Az ilyen módon három dimenzióban megjelenített térbeli objektumok a szemlélő számára könnyen értelmezhetők, részletgazdagok, lehetőséget adnak a lényeg kiemelésére, biztosítják a valós és az animált 115
objektumok kapcsolódását, realisztikustól eltérő tulajdonságok felruházásával segítik az átláthatóságot, valamint támogatják a pozícióváltás nélküli térbeli bolyongás érzésének kialakulását. Ezek az eszközök hasznosak lehetnek a tudományos kutatás, az oktatás, a gyógyítás és a szórakoztatóipar számos területén. Alapját képezhetik 3D internetes fórumoknak, virtuálisan kibővített platformoknak, valósághű tervezőfelületeknek. Továbbá hasznosak lehetnek az otthoni szórakoztatás, a rehabilitáció, az idősgondozás, a biztonságtechnikai távfelügyeletet igénylő megoldások területén. Az már történeti adatokkal bizonyított tény, hogy a háromdimenziós technológia és megjelenítési forma története régre vezethető vissza. Az évek folyamán a népszerűségében és elterjedtségében időbeni periodicitás tapasztalható. A sztereoszkópok legnagyobb népszerűségüket a viktoriánus korban érték el, amit azóta sem tudtak túlszárnyalni, és sajnos a hagyományos fotográfiának igazi konkurenciát sohasem tudtak jelenteni. Ennek ellenére bizakodásra adhat okot, hogy a korszerű eszközök kényelmi szolgáltatásaikkal nagyobb szeletet tudnak kihasítani, és jelentősebb teret tudnak meghódítani a megjelenítő eszközök piacából. Ma a háromdimenziós megjelenítés a mindennapokban is alkalmazott, széles körben használt eszköz lett. Csak remélhető, hogy ezek a tágabb értelemben vett, kiegészített valóságok valamint a virtuális környezetek az emberi kapcsolatok új dimenzióit nyithatják meg, így a jövőben is fontos momentumai lesznek a kutatásoknak és a fejlesztéseknek.
3.6.7. Ellenőrző kérdések az összes fejezethez 1. Röviden foglalja össze, hogy a térbeli megjelenítés hogyan értelmezhető az eredeti felületről érkező hullámfront, vagy a felületet helyettesítő másodlagos felületről érkező hullámfront rekonstruálása tekintetében? 2. A képgenerálási eljárások feladata, hogy a virtuális kamera nézőpontjából egy kétdimenziós képet alkosson a háromdimenziós térről azzal a céllal, hogy a két kétdimenziós kép, egy bonyolult agyi mechanizmus után a térbeliség élményévé szintetizálódjon. Mik ennek a folyamatnak a feltételei? 3. Értelmezze a grafikus eljárás műveleteit! Mit jelent a képelemek összeállítása, a modell transzformációja, a látótéren kívül eső térrészek elhagyása, a nézőponti transzformáció, a képtérre történő vetítés és a megjelenítés? 4. A három dimenzióban megjelenített térbeli objektumok a szemlélő számára könnyen értelmezhetők, részletgazdagok, lehetőséget adnak a lényeg kiemelésére, biztosítják a valós és az animált objektumok kapcsolódását, realisztikustól eltérő tulajdonságok felruházásával segítik az áttekinthetőséget, támogatják a pozícióváltás nélküli térbeli bolyongás érzésének kialakulását. Ismertesse meg ezeket a folyamatokat, és jellemezze őket! 116
5. Miért lehetnek hasznosak a háromdimenziós megjelenítés eszközei a tudományos kutatás, az oktatás, a gyógyítás és a szórakoztatóipar számos területén, valamint az otthoni szórakoztatás, a rehabilitáció, az idősgondozás, a biztonságtechnikai távfelügyeletet igénylő megoldások területén? 6. Az ember – és az élővilág egyedei jelentős részének – látása úgynevezett binokuláris alapokon nyugszik, azaz a két szem által leképzett térrész síkbeli képeit az agy egy közös feldolgozási algoritmus segítségével együttesen értékeli, értelmezi. A legfontosabb momentum, hogy az adott objektumról a két érzékelő – adott esetben a két szem – eltérő térbeli pozíciója miatt, eltérő képeket regisztrál. Milyen olyan eseteket tud elképzelni, amikor valamilyen rendellenesség vagy nem teljes érzékelés miatt ezt a funkcióját az agy nem képes ellátni? Milyen hátrányokkal jár a térbeli látás hiánya a mindennapi életben? 7. A kép nélküli térbeli megjelenítés során általában hullámfront-rekonstrukciót valósítunk meg. Ennek tipikus példája a klasszikus hologram. Ennek készítése során olyan eszközt hozunk létre, amely az ábrázolandó, valóságos tárgy felületéről reflektálódó hullámfrontot állítja vissza. A tárgy egyszerű szemlélése esetén annak felületéről – a tulajdonságait hordozó –, reflektálódó hullámfrontot engedjük a szemeinkbe, ezáltal az agy képes a térbeliség érzésének létrehozására. Milyen feltételek teljesülése szükséges a klasszikus hologram létrejöttéhez és a rekonstrukciójához? A klasszikus holografikus megjelenítés rendkívül látványos, azonban elterjedése korlátozott. Mi ennek az oka? 8. Volumetrikus típusú térbeli megjelenítés esetén a megjelenítők egy diffúzan reflektáló anyagra, esetleg valamilyen féligáteresztő közegre vetítenek vezérelt sugarakat, nagy sebességgel, így a szem által érzékelt képek az agyban
nem választódnak szét,
összemosódnak, és a térbeliség látszatát keltő elemekké állnak össze. Ismertesse, hogy melyek azok a feltételek, amelyek teljesülése nélkül nem jön létre a jelenség? 9. Az autosztereo megjelenítők legfőbb jellemzője, hogy speciális segédeszköz, például szemüveg használata nélkül képesek a térbeliség érzésének kialakítására. Itt is az ismert alapgondolatot alkalmazzák, miszerint a jobb illetve bal szemekbe más és más képet juttatnak. Ezt úgy valósítják meg, hogy különböző optikai eszközöket, elemeket helyeznek közvetlenül a képi információt hordozó ernyő elé. Melyek ezek a speciális eszközök, hogyan jellemezhetők optikai szempontból, a paramétereik milyen hatással lehetnek a térbeliség látványára? Az autosztereo megjelenítők két legismertebb változata a lentikuláris és a parallax sztereo-kijelző. A lentikuláris változatot a szakirodalomban mikrolencsés rendszernek is nevezik, mert egy képpontonként vezérelhető elektronikus kijelző előtt azonos gyújtótávolságú mikrolencsékből összeállított optikai egység helyezkedik el. Mutassa be a sugármenetet! 117
10. Autosztereo megjelenítők alkalmazásakor hibás szemlélési távolság illetve pozíció esetén az egymáshoz tartozó képrészek átfedése miatt zavaros képek keletkezhetnek. Magyarázza meg, mit jelent az ortoszkopikus és a pszeudoszkopikus látvány! 11. Az anaglif eljárás alkalmazása esetén az egymásra nyomtatott két egyszínű kép jól elkülöníthető spektrummal rendelkezik, és a szemlélő a látványt a kép színeinek megfelelő színű szemüvegen keresztül vizsgálja. Magyarázza meg, hogy ez miként eredményezheti a térbeliség látványának kialakulását! Színszétválasztásos multiplex módszer esetén az egymásra vetített két színes képet eltérő monokromatikus összetevőkből állítjuk elő, és azokat a nekik megfelelő szűrőkön keresztül szétválasztva juttatjuk a jobb és a bal szembe, így színhelyes térhatást érhetünk el. Magyarázza meg, hogy ezt hogyan használhatjuk ki! Melyek a módszer elterjedésének korlátai? 12. A shutter technológia egy időosztásos módszer, amely a képek szétválasztását már közvetlenül, a vetített kép generálásakor megoldja. Magyarázza el a térbeliség kialakulását e technológia alkalmazása esetén!
3.6.8. Felhasznált irodalom a technikai fejezetekhez [15.1] Dr. Lois László, Daróczy Bálint, Lustyik Tamás, Agócs Tibor, Balogh Tibor:Többnézetű videó megjelenítés és kódolás, Híradástechnika, LX. Évfolyam 2005/9, [15.2] S. A. Benton. Practical Holography XII. SPIE, 1998. [15.3] H. I. Bjelkhagen and H. J. Caulfield. Selected Papers on Fundamental Techniques in Holography. Milestone Series MS171. SPIE, 2001. [15.4] H. J. Caulfield, E. N. Leith, and I. N. Denisiuk. The Art and Science of Holography. Press Monograph Vol. PM124. SPIE, 2004. [15.5] P. Hariharan. Basics of Interferometry. Academic Press, 2006. [15.6] P. Hariharan. Optical Interferometry. Academic Press, 2003. [15.7] P. Hariharan. Basics of Holography. Cambridge University Press, 2002. [15.8] P. Hariharan. Optical Holography. Cambridge University Press, 1996. [15.9] S. F. Johnston. Holographic Visions: A history of New Science. Science and Computing Series. Oxford University Press, 2006. [15.10] J. E. Kasper and S. A. Feller. The Complete Book of Holograms: How They Work and How to Make Them. John Wiley & Sons, 1987. [15.11] G. Saxby. Practical Holography. Taylor & Francis, 2003.
118
[15.12] P. Hariharan, editor. Selected Papers on Interferometry. Milestone Series MS28. SPIE, 1991. [15.13] A. Nussbaum, R.A. Phillips: Modern optika mérnököknek és kutatóknak, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1982. [15.14] F. Jenkins et al.: Optika, Panem, Budapest,1997. [15.15] Dr. Sevcsik, Hefelle : Fényképészet, MK. Budapest, (1980) [15.16] Antal Ákos; Sztereomegjelenítés, Természet Világa, 141. évfolyam, 4. szám (2010) [15.17] Imre Gábor, Lőrincz Béla: 3D – álom vagy valóság, HTE, (2009) [15.18] R. Guenther. Modern Optics, J. Wiley & Sons Inc. 1990 [15.19] Lang János: Fizika Laboratóriumi Gyakorlatok, Tankönyvkiadó, Budapest, 1976
119
Háromdimenziós tartalmak további létrehozásának lehetőségei Mélységérzetet keltő képtartalom sokféleképpen készíthető. Például két kamerával (az emberi szemtávolsággal egyező távolságban (63,5 mm) elhelyezve egymástól), annak érdekében, hogy két perspektívából rögzítse az eseményeket. Egy sztereoszkópikus kamerával, amelyet már megtalálhatunk a nagyobb gyártók kínálatában is. Térhatású képtartalom számítógépes animációval is megvalósítható . Végül a valós rögzítésből származó másodlagos kép beillesztésével vagy generálásával. Ez elvégezhető mind a kijelzőben, mind pedig a stúdióban lévő nagyteljesítményű számítógéppel. Ez utóbbi esetben természetesen jobb eredményre lehet számítani.
A háromdimenziós tartalom televíziós tárolására és közvetítésére is számos módszer létezik. Egyik ilyen módszer az előzetes színezés, például piros-zöld, piros-ciánkék vagy ColorCode színezéssel. Két csatorna használatával, külön adatcsatornaként, mindkettő teljes sávszélességgel. Egy képként vetítve, de nem egyesítve, például két torzított kép egymás mellett, vagy sakktáblához hasonló mintázattal, vagy váltott sorosan kivetíteni. Kiegészítő adatfolyam alkalmazásával, amely lényegében csak a második és az első kép közti különbségeket tartalmazza. Tárolás és átvitel, mint 2D-s kép mélységinformációval, amely a térbeli elhelyezkedését tartalmazza az objektumoknak 2 dimenziós képátvitele mélységinformációval.
3.7.1. A háromdimenziós technikák és a holográfia A holográfia, mint háromdimenziós képrögzítési és rekonstruálási eljárás alkalmazása során, a hologramlemez segítségével a szemlélő egy ablakon keresztül látja a rögzített és rekonstruált tárgyat, a felvételi körülmények által meghatározott térrész határai között. A rögzítésen, vagy a hologram készítésén a holografikus lemez, mint rögzítőeszköz megvilágítását és exponálását értjük. A rekonstrukció pedig egy hullámfront átbocsátását jelenti a hologramlemezen. Ha a hagyományos hologram készítését egy fotofizikai folyamatnak fogjuk fel, akkor az exponálás és a rekonstrukció között egy fotokémia folyamat során, stabil formában állítjuk elő a hologramot. A holográfia kifejezés görög eredetű, jelentése: teljes írás. Lényegében a holográfia egy kétlépcsős eljárás, amely során egy tárgyat koherens fénnyel megvilágítunk, hogy az interferenciajelenséget hozzon létre egy érzékelő közegen, ami lehet ezüsthalogén emulzió vagy más fotofizikai érzékelő, de legújabban elektronikus detektort is használhatunk. A létrejövő interferenciaképet hullámfronttal rekonstruálva újra létrehozzuk az eredeti tárgyról érkező hullámfrontot, azaz a háromdimenziós képét. A folyamat végén látható jelenség az eredetivel megegyezőnek tűnik, így a görög eredetű megnevezésnek megfelelően annak teljes háromdimenziós képe jön létre.
120
A holográfia megszületését Gábor Dénesnek köszönhetjük, aki 1947 és 1948 között végzett kísérleteket ezen a téren. Megállapításaival egy teljesen új tudományágat alapozott meg, és meghatározó úttörő munkát végzett. A problémát az elektronmikroszkópokhoz kapcsolódó kutatásai vetették fel, ugyanis az alkalmazott leképző elemek korlátozták a felbontóképességet, a diffrakciót. A diffrakció adta korlátok nem voltak áthághatók, a kép minősége nem volt megfelelő, új ötletre volt szükség az objektumról beszerezhető információk tárolásának vonatkozásában. A megoldás a problémára, hogy az érzékelő felületen, a fény intenzitása mellett, a fázis is rögzítésre került, mégpedig egy a tárgyról visszaverődő, valamint egy egyszerű sík- vagy gömbhullám – ami referenciahullámnak, vagy viszonyításnak tekinthető – szuperpozíciójaként. Az így elkészült képet átvilágítva a referenciahullámmal, a tárgy háromdimenziós képét lehetett megfigyelni, amely tartalmazta a tárgyról készült információt, természetesen az aberrációk kíséretében. Tudománytörténeti tény, hogy a holográfia alapelveit először Gábor Dénes ismertette (Imperial College of Science and Technology, University of London). A találmány tulajdonképpen az elektronmikroszkóppal kapott képek felbontásának javítására szolgáló módszer volt. Az alapelveket, az elméleti megfontolásokat, a rekonstrukcióról szóló elképzeléseit Gábor Dénes 1948-ban publikálta. Ötletével akkor, elsősorban technikai korlátok miatt, nem igazán foglalkoztak, és a lézer 1960-as megjelenéséig elgondolásai csak korlátozott lehetőségek közötti laboratóriumi kísérleteknek számítottak. A szakmai elismerés azonban nem késett, hiszen 1971-ben módszeréért (holográfia) fizikai Nobel-díjat kapott. Az így elkészült háromdimenziós rekonstruált hullámfront már kísérletileg használható volt, de szerény minőséggel. Ezen probléma megoldására 1962-ben került sor, amikor Emmeth Leith és Juris Upatnieks először alkalmazott lézert a holografikus kísérletekhez, amelynek intenzitása valamint koherenciája sokszorosa volt a Gábor Dénes által korábban alkalmazott higanyívfényű fényforrásnak. A lézeres fényforrásokkal már jó minőségű hologramok is előállíthatóvá valamint rekonstruálhatóvá váltak. A tárgyhullám fázisának mérése és kiértékelése akkor még nem volt közvetlenül lehetséges. A következő lépést, a technológia és a számítógépek jelentették a digitális holográfia irányába [16.17]: − a számítógépek kapacitásának fejlődése lökést adott a technológia elterjedésének, − a fotográfiában használt film helyett digitális képrögzítő eszközökre (elsősorban CCD detektor) történő rögzítés – ugyan erős megkötésekkel –, de megvalósítható, − az elektronikus úton történő rögzítés segítségével a hullám intenzitása és fázisa egyaránt reprodukálható és mérhető, − a hatás tárolható, módosítható vagy felhasználható lett egy későbbi szimuláció során, − az így nyert hologramok általi mérés akár később, akár valós időben is megjeleníthető és módosítható. 121
Az ehhez szükséges programok egy része ingyenesen beszerezhető, kutatási célokra szabadon használható. Bár a holográfia széles irodalommal rendelkezik a módszerek és felhasznált eszközök terén, de részben a digitális feldolgozás elterjedésének köszönhetően, újabb és újabb alkalmazási területek jelennek meg. A skála igen széles, a holográfia a méréstechnikai alkalmazásokon túlmenően, különböző tudományos és művészeti területeken is megjelenik. A méréstechnikában legelterjedtebb alkalmazási mód az úgynevezett kétexpozíciós hologram [46], amikor egy tárgyról két egymás utáni felvétel készül, az egyik nyugalmi, a másik pedig deformált (például mechanikai feszültség hatására bekövetkező alakváltozás utáni) állapotban. Feldolgozva a két állapot közötti különbségeket, a felületen megjelenő interferenciacsíkokból egyértelműen meghatározható és számítható a változást okozó hatás. Az időátlagoló holografikus interferometriával egy tárgy rezgési állapotának kvalitatív mérése valósítható meg, például mérhető lesz az amplitúdója. A dombornyomott hologramokat a biztonságtechnikai és csomagolástechnikai eszközöknél használják az egyedi és hamisíthatatlan azonosítás céljából. A számítástechnikában, a számítógépes adattárolásban és az informatikában egyre nagyobb teret hódít a holografikus adattárolás. A jelenleg alkalmazott térbeli megjelenítés érzetét keltő televíziós megjelenítők kiváltására, a jobb hatás elérése érdekében intenzíven fejlesztik – a valós térbeli hatást nyújtó – holografikus megjelenítőket. A holográfia lehetővé teszi, hogy kétdimenziós hordozófelületen térbeli hatású műalkotást rögzítsünk. A művészetben alapvetően két területen alkalmaznak hologramokat. Egyrészt lehetővé teszik a nem mozgatható műtárgyak távoli helyeken, szállítás nélküli tanulmányozását. Másrészt a nonfigurális hologramok elsősorban emocionális hatásuk által fejtik ki hatásukat. A fenti összefoglalóból is jól érzékelhető, hogy a felhasználás nagyon széles skálán mozog, ami egyre bővül, és egyre nagyobb teret hódít. Rendkívül fontos terület - a fentieken túl - a holografikus adattárolás, melynek célja, hogy úgynevezett holografikus memóriákat alkalmazzon digitális információk tárolására, hologramok formájában. Az információ tárolása a hagyományos rendszerekben vonal mentén, vagyis egy dimenzióban valósul meg. A megfelelő technológia alkalmazásával ezt a struktúrát helyezik el a tároló eszköz felületén. A holografikus adattárolás során az információ tárolása általában két vagy három dimenzióban történik, bizonyos formátumú kép vagy alakzat formájában. Előnye a nagy adatsűrűség, ugyanis itt a térfogatban is tárolódhat adat. A tárolt információ egységes formájában, egyszerre olvasható ki, ez szintén növeli az olvasási sebességet. Külön előny, hogy a hologram redundánsan tárolja az információt, így rendkívül nagy az adatbiztonság, nem érzékeny a sérülésekre.
122
3.7.2. Felhasznált irodalom a technikai fejezetekhez [16.1] Dr. Lois László, Daróczy Bálint, Lustyik Tamás, Agócs Tibor, Balogh Tibor:Többnézetű videó megjelenítés és kódolás, Híradástechnika, LX. Évfolyam 2005/9, [16.2] S. A. Benton. Practical Holography XII. SPIE, 1998. [16.3] H. I. Bjelkhagen and H. J. Caulfield. Selected Papers on Fundamental Techniques in Holography. Milestone Series MS171. SPIE, 2001. [16.4] H. J. Caulfield, E. N. Leith, and I. N. Denisiuk. The Art and Science of Holography. Press Monograph Vol. PM124. SPIE, 2004. [16.5] P. Hariharan. Basics of Interferometry. Academic Press, 2006. [16.6] P. Hariharan. Optical Interferometry. Academic Press, 2003. [16.7] P. Hariharan. Basics of Holography. Cambridge University Press, 2002. [16.8] P. Hariharan. Optical Holography. Cambridge University Press, 1996. [16.9] S. F. Johnston. Holographic Visions: A history of New Science. Science and Computing Series. Oxford University Press, 2006. [16.10] J. E. Kasper and S. A. Feller. The Complete Book of Holograms: How They Work and How to Make Them. John Wiley & Sons, 1987. [16.11] G. Saxby. Practical Holography. Taylor & Francis, 2003. [16.12] P. Hariharan, editor. Selected Papers on Interferometry. Milestone Series MS28. SPIE, 1991. [16.13] A. Nussbaum, R.A. Phillips: Modern optika mérnököknek és kutatóknak, Műszaki Könyvkiadó, Budapest 1982. [16.14] F. Jenkins et al.: Optika, Panem, Budapest,1997. [16.15] Dr. Sevcsik, Hefelle : Fényképészet, MK. Budapest, (1980) [16.16] Antal Ákos; Sztereomegjelenítés, Természet Világa, 141. évfolyam, 4. szám (2010) [16.17] Imre Gábor, Lőrincz Béla: 3D – álom vagy valóság, HTE, (2009) [16.18] R. Guenther. Modern Optics, J. Wiley & Sons Inc. 1990 [16.19] Lang János: Fizika Laboratóriumi Gyakorlatok, Tankönyvkiadó, Budapest, 1976
Opto-mechatronika az űrkutatásban Tanszékünk több éve szoros kapcsolatot tart a „Max Planck Institute for Solar System Resesearch” kutatóintézettel, Göttingenben. Két jelentősebb projektben vettünk részt: 123
DAWN: egy közös ESA-NASA űrszonda a Vesta és a Ceres kisbolygók kutatására ROSETTA: egy európai szonda a 67P Churyumov-Gerasimenko üstökös vizsgálatára. Ez utóbbi projekt érkezett egy fontos mérföldkövéhez. A szonda elérte úti célját, és mintegy 100 km-re megközelítette az üstököst. A szonda több tudományos műszert visz magával, többek között két nagyfelbontású kamerát, spektrométert, valamint egy leszállóegységet is, ami az üstökös felszínén fog méréseket végezni. Tanszékünk (MOGI) a kamerák optikai kalibrációjában vett részt, Kovács Gábor adjunktus pedig 2014. év áprilistól egy ideig Max Planck intézetnél dolgozik a projekten, a beérkező képek feldolgozásán, és kalibrációján.
3-32. ábra A Rosetta űrszonda által a 67P Churyumov-Gerasimenko üstökösről 2014. aug. 6-án készített kép
4. Jármű-mechatronika trendek Az utóbbi években az ipari kommunikációs- és vezérlő hálózatok terén paradigmaváltás figyelhető meg. A közelmúltban a mikrokontrollerek egyre hatékonyabbá és egyre olcsóbbá váltak, amely lehetővé tette, hogy a gyártók távoli I/O eszközökbe, nyomógombokba, szenzorokba és egyéb komponensekbe ágyazzák őket, olyan „intelligens eszközöket” létrehozva, amelyek önállóan is képesek a szabályozási feladatuk ellátására. Így a ’70-es, ’80-as években domináló központosított szabályozó rendszerek (centralized control systems) helyett egyre inkább elterjedhettek az úgynevezett elosztott rendszerek (distributed/decentralized control systems).
Központosított szabályozó rendszer A rendszert alkotó egységek hagyományos módon egy központi vezérlő egységhez csatlakoznak, amelynek feladata az egész rendszer koordinálása (4-1. ábra). A központi vezérlő (master) ciklikusan lekérdezi a többi eszköz (slave) üzeneteit. Így bár determinisztikus, hogy egy eszköznek maximum 124
mennyit kell várnia az átviteli közeg használatára, az ilyen modell több jelentős hátránnyal is bír. A különböző egységek más-más típusú csatlakozókkal rendelkezhetnek, így nagy számú vezetékre lehet szükség a központhoz kapcsolásukhoz.
4-1. ábra Centralizált szabályozási rendszer
Ez azért is hátrányos, mert a rendszer komplexitásának növekedésével a huzalok száma és a csatlakozók mérete is növekszik. Az ilyen mester-szolga (master-slave) rendszerben keletkező hibák felderítése bonyolult, és a központi egység (CPU – Central Processing Unit) leállásával a teljes rendszer működésképtelenné válik. Új eszközök hozzáadásakor újabb problémák merülhetnek fel, például egy speciális csatlakozóval rendelkező egység integrálása egy már létező rendszerbe költség és munkaigényes feladat.
Elosztott szabályozó rendszer Az említett hátrányos tulajdonságok leküzdésére egyre szélesebb körben alkalmazzák az iparban az úgynevezett terepbuszokat (fieldbus). Ezek olyan soros adatkommunikációs rendszerek, amelyek a tereptartományban (field domain) történő adatcserére szolgálnak. Ez a tartomány az automatizált rendszer eszköz-szintjének reprezentálása, amely azoknak az eszközöknek és berendezéseknek, valamint összeköttetéseiknek leírásából áll, amelyek térben közel vannak, vagy közvetlenül összeköttetésben állnak az aktuális – megfigyelni vagy irányítani kívánt – technológiai folyamattal.
125
4-2. ábra Elosztott szabályozási rendszer
Az ilyen rendszerek alapelve, hogy egy közös kommunikációs vonalra (buszra) kötik az összes egységet. Az ily módon egy hálózatba kapcsolt egységek immár önállóan kommunikálnak egymással. A hálózat használata új szabályozási koncepciót eredményezett, az úgynevezett elosztott szabályozást (4-2. ábra). Elosztott rendszereknél mindössze egy vezeték kötegre van szükség, amely gyakran már az energia ellátását is biztosítja a részegységeknek, ezzel is csökkentve a fizikai csatlakozók számát. A kevesebb vezeték nemcsak megbízhatóbbá teszi a rendszert, de egyszerűbbé és főként olcsóbbá is. Ezzel a megoldással lehetővé válik a rendszer folyamatos bővítése, mivel csupán egyfajta, szabványosított csatlakozóra van szükség, így lehetséges akár különböző gyártók eszközeinek közös rendszerbe integrálása is. Az előzőek alapján kijelenthető, hogy az autóiparban az egyes járművekbe beépített elektronikai eszközök túlnyomó többsége elosztott rendszert/rendszereket alkotnak, és őket különféle csoportokba lehet besorolni úgy, hogy az egyes területek között nincs átfedés. E területek az alábbiak: •
Motorvezérlő (Engine Control) elektronika
•
Sebességváltó elektronikai eszközei (Transmission Electronics)
•
Karosszéria elektronikai eszközei (Chassis Electronics)
•
Aktív biztonságért felelős elektronikai eszközök (Active Safety)
•
Vezetőt támogató rendszer elektronikai eszközei (Driver Assistance)
•
Kényelmi, vagy komfort elektronika (Passenger Comfort)
•
Fedélzeti tájékoztató és szórakoztató elektronika (Infotainment Electronics)
126
A jegyzetnek nem célja e területek bemutatása, kifejtése, csupán az a fontos, hogy az egyes kommunikációs protokollok mely területeken dominálnak, illetve mely területek ösztönözték azok létrehozását, inspirálják fejlesztésüket. Minden elektronikus eszköz, amely részt kíván venni valamilyen kommunikációs folyamatban, ismernie kell az adott kommunikációs folyamat alapszabályait és rendelkeznie kell olyan apparátussal, mellyel képes e szabályoknak eleget tenni. A szabályrendszert és a szükséges fizikai háttért
jelentő
eszközöket
a
szabványosított
kommunikációs
protokollok
specifikációja/dokumentációja foglalja össze. Azonban az egyes kommunikációs protokollok tárgyalása előtt érdemes megismerkedni egy általános, leíró modellel, melynek fogalomrendszerét felhasználva a konkrét esetek tárgyalása könnyebben érthetővé válik.
Személygépkocsik ESP rendszerei Az ESP rendszer a gépkocsik aktív biztonságának fontos eleme, hiszen a hossz- és a kereszt irányú dinamikai viselkedést is képes befolyásolni. Kifejlesztését a sokszor ”megmagyarázhatatlan” egy résztvevős balesetek indokolták, melyeknél a gépkocsivezető elvesztette uralmát autója felett. Gyakran ezek valódi oka vezetési hiba volt. Aminek következtében a gépkocsi kisodródott, megfarolt, és oldalával ütközött neki például egy útszéli fának, villanypóznának, vagy más objektumoknak. A statisztikai adatok alapján megállapítható, hogy a becsatolt biztonsági övvel bekövetkezett halálos balesetek 60%-a oldal irányú ütközés következménye volt. Ezek jelentős része elkerülhető lenne, ha a gépkocsiba ESP-t szerelnének. Ez az
elektronikus stabilizáló program szélsőséges
menetviszonyoknál is hatékonyan stabilizálja a gépkocsit a fizikai törvények határain belül.
4-3. ábra A gépkocsi ESP nélkül kritikus körülmények között alul-, és túlkormányzott módon is viselkedhet
A gépkocsi menetdinamikája akkor jó, ha pánikhelyzetben sem kényszerül a vezető a megszokottól eltérő cselekvésre. Ilyenkor ugyanis az ijedtség miatt gyakran helytelenül cselekszik.
127
Amikor a kerekek csúszás miatt lecsökkent az oldalvezető erő, a vezető a túlzott, és hirtelen kormánykorrekcióval gyakran a veszélyes helyzetet tovább rontja. A legkritikusabb körülmények között is uralhatóvá teszi az autót az ESP működése, mely megfelelően reagál a vezető helytelen cselekvéseire is, amikor például teljes gázt ad, vagy egyik irányban teljesen elrántja a kormányt.
4-4. ábra Az ESP rendszer részegységei
A címben is olvasható elnevezésen kívül használatos még ugyanerre a menetdinamikai szabályozó rendszerre az Electronic Stability Control elnevezés is és az ebből származó ESC rövidítés. Ez egy klasszikus perdület-szabályozás, (a gépkocsi függőleges tömegközépponti tengelye körüli elfordulás sebességének a szabályozása), mely egy megadott járműmodell alapján működik. Ezt egészíti ki a kúszási szög változásának kompenzálása. Ez a rendszer már nem csak fékezéskor, vagy gyorsításkor avatkozik be, hanem akkor is, amikor a gépkocsi stabilitása azt megkívánja. Nem szabad azonban megfeledkezni arról, hogy ez is csak a fizikai törvények határain belül képes stabilizálni a gépkocsit. Támogatja a gépkocsi iránytartását, erős terhelésváltás esetén. De javítja a menetstabilitást akkor is, amikor nagy nyomatékkal a motorféket használják. Könnyebbé teszi a dinamikus kormányzási akciót, megakadályozza a gépkocsi „túlfordulását”. Az újabb fejlesztéseknek köszönhetően egyre több különleges működéssel is kiegészült a beavatkozások sora. Ilyen például az utánfutó stabilizáló algoritmussal. Ez a vontató gépkocsira fejti ki hatását, amikor nagy sebességnél az utánfutó kezdi belengetni azt. Ez a szabályozási módot Trailer Stability Program –nak nevezik, és TSP –nek rövidítik. Ennek keretében egy valódi kúszási szög szabályozás valósul meg.
4.3.1. Az ESP rendszer részei -
Elektro - hidraulikus szabályozó egység, mely hasonlatos az ABS / ASR hidraulikaegységhez
128
-
Aktív vákuumos fékrásegítő (ez hozza létre a vezetőtől függetlenül a fékező nyomást az egyes kerekeknél történő beavatkozásokhoz a Continental Teves ESP rendszernél)
-
Kormányzási szöghelyzet érzékelő,
-
CAN hálózati kommunikáció a motor nyomaték szabályozáshoz,
-
Kerékfordulatszám érzékelők (4 db),
-
Perdülés és keresztirányú gyorsulás érzékelő
Az ESP összetett menetdinamikai szabályozó rendszer Azáltal, hogy a gépkocsi hossz-, és kereszt irányú dinamikáját is képes javítani beavatkozásaival, jelentősen növeli a gépkocsik aktív biztonságát. Ez az alapján történik, hogy minden hatodik milliszekundumban összehasonlítja a vezető által kívánatosnak tartott menetpályát, a gépkocsi tényleges menetpályájával a szoftver által tárolt matematikai modell alapján. A vezető szándéka a kormánykerék elfordítási iránya, az elfordítás sebessége és szöghelyzete és hozzá hasonlóan a gáz, illetve a fékpedál helyzete és annak változása, valamint a sebesség alapján határozható meg. A gépkocsi tényleges menetpályájára vonatkozó információk a perdülés, a kereszt-, illetve összkerékhajtásúaknál a hossz - irányú gyorsulás érzékelők-, továbbá a kerékfordulatszám érzékelők jeleinek kiértékelése révén válik ismertté. Ebből is kitűnik, hogy ezeknek a speciális érzékelőknek a kifogástalan működése nagyon fontos az ESP szabályozás szempontjából. Az ESP működése során számos korábban önálló szabályozó algoritmus, most mint részprogram válik a rendszer részévé. Ezek közül az alábbiakban felsorolunk néhányat: -
blokkolásgátló (ABS) és annak „terep fokozata”, mely nagyobb kerékcsúszást engedélyez a laza talajon, vagy a friss hóban.
-
kipörgésgátló ASR, (és annak nagyobb kerékcsúszást lehetővé tevő „terep fokozata”
-
perdülési nyomaték szabályozás GMR,
-
elektronikus fékerő felosztást EBV,
-
fékasszisztens működés.
-
utánfutó stabilizálás
4.4.1. ESP beavatkozás módja és hatása a közlekedésbiztonságra Az ESP megakadályozza a gépkocsi alulkormányzott, illetve túlkormányzott viselkedését. Ez a pillanatnyi menetállapottól függően, az egyik kerék szabályozott fékezésével valósulhat meg. Alulkormányzott esetben például a kanyar belső ívén futó hátsó kerék fékezésével történik a beavatkozás. Túlkormányzott esetben a kanyar a külső íven futó első kerék fékezésével stabilizálható a gépkocsi. Dinamikus kormányzási manőver esetén az ellenkormányzást könnyítheti meg az ESP, amikor a kanyarodást követően a gépkocsit vissza kell hozni egyenes menetbe. Ezeket a beavatkozásokat a motor hajtó nyomatékának csökkentésével is támogatja az elektronika. 129
Standard ESP A gépkocsi perdületi gyorsulásának és kúszási szög változásának alapján történik a beavatkozás. SESP A rövidítés első „S” betűje a szenzitiv szót helyettesíti, mely magyarul „érzékeny” –t jelent. Ennek a szabályozásnak az előnyei különösen terhelésváltáskor mutatkoznak meg. ARP Active Rollover Prevention – ez a borulás elleni védelmet jelenti. Nagyon dinamikus sávváltásnál, illetve kitérés esetén növeli hatékonyan az aktív biztonságot. TSP Trailer Stability Program - utánfutó stabilizálás.
Az ESP rendszer bemeneti információi és működése Az ESP szabályozás különböző algoritmusai meghatározzák a gépkocsi sebességét és lassulását, a kerékcsúszást, a fékező nyomást. Ezek alapján a matematikai modell segítségével kiszámítja a ferdefutási szöget, a kerekek oldalkúszási szögét, a keresztirányú gyorsulást, a kerekeknél az oldalvezető erő nagyságát, a függőleges irányú terhelését és az eredő erőket. A ferdefutási szög meghatározásához a kétnyomú járműmodell mozgásegyenleteit használja fel az elektronika. Ezeket az egyenleteket azután linearizálja és diszkretizálja. Az oldalerők meghatározásához a HSRI gumiabroncs modellt alkalmazzák. Így kiküszöbölhetők a nem lineáris egyenletek és a kerekeknél meghatározhatók a hossz- és a kereszt irányú erők.
130
4-5. ábra Az ESP rendszer működési elve
Az ESP beavatkozások Az ESP rendszernek jelenleg már több beavatkozási lehetősége is van. A gépkocsi pillanatnyi menetdinamikai viselkedésétől függően: -
egy kiválasztott kerék szabályozott fékezése,
-
motor nyomaték csökkentése,
-
az aktív szervokormány segítségével kormánykorrekció végrehajtása.
A kerék csúszás szabályozása a gépkocsivezetőtől függetlenül végrehajtott fékezésekkel valósul meg. Pontosan kell meghatározni, hogy mekkora kerékcsúszás változás szükséges. Túlkormányzott gépkocsinál előnyös, ha intenzív fékezés közben az ESP a külső íven haladó első keréknél a kerékcsúszást növeli, a belső íven pedig csökkenti. A két hátsó keréknél a csúszást fékezés közben nem módosítják. Az egyik oldalon csúszós úton gyorsításkor a vonóerő a kisebb tapadási tényezőjű részen haladó kerék fékezésével növelhető (differenciálzár hatás). Ekkor a gépkocsira a vezető szándékától független perdítő nyomaték hat, melyet a kormánykerék elfordításával kompenzálni kell. Ha az
131
ébredő perdítő nyomaték a gépkocsi gyártója szerint túl nagy, a csúszó keréknél a fékező nyomást és ezzel egyidejűleg a motor nyomatékát is csökkenteni kell. Fékezéskor a szlip nagyságát a kerékcsúszás szabályozó egység állítja be. A fékezőnyomás modulációhoz a hidraulikaegység elektromágneses szelepeit működtetik. A kerékcsúszás nagyságát gyorsításkor a hajtott kerekeknél módosítja az ASR. A motor nyomatékát a motormenedzsment szabályozza a CAN hálózaton keresztül érkező üzenetnek megfelelően.
4-6. ábra Az ESP beavatkozási lehetőségei egy kerék szabályozott fékezése, motor nyomaték csökkentés aktív kormányzási beavatkozás.
4-7. ábra Nagy sebességgel végrehajtott hirtelen kitérés a gépkocsi megperdülését okozhatja
4-8. ábra Az ESP az egyik kerék szabályozott fékezésével stabilizálja a gépkocsit. A kanyarodás kezdetén a bal hátsó, majd a jobb első és a visszakanyarodáskor pedig a bal első kereket fékezi.
A kipörgés gátló (ASR) A további menetdinamikai szabályozó rendszerek közül soknak az alapja a blokkolásgátló rendszer. Az első jelentősebb továbbfejlesztése az ABS-nek, amely fékezés közben javítja a gépkocsi hosszdinamikáját az ASR, vagyis a kipörgésgátló. Ez is a gépkocsi hosszdinamikáját javítja. 132
4.7.1. A kipörgésgátló, az ASR működési elve A hagyományos differenciálművel szerelt gépkocsiknál amikor a bal, és a jobb oldali kerekek alatt a tapadási tényező jelentősen eltér egymástól, csak kis vonóerő valósulhat meg, de vannak esetek amikor a gépkocsival el sem lehet indulni. Ennek az oka az, hogy a differenciálmű fele – fele arányban osztja szét a nyomatékot és amikor az egyik hajtott kerék csúszik, a másik sem képes vonóerőt átvinni. Amikor a kipörgésgátló csúszós úton, a kipörgő a túl nagy nyomatékot kapó kerék aktív és szabályozott fékezésével beavatkozik, a gépkocsi már el tud indulni, és utána stabil gyorsításra is képes. Tehát a blokkolásgátlót kiegészítő kipörgésgátló (ASR) különösen a csúszós utakon támogatja hatékonyan a vezetőt. Kis sebességnél a kipörgő kerék szabályozott lefékezésével avatkozik be. Ezáltal a másik hajtott keréken ki tud alakulni a megfelelő nyomaték. Nagyobb sebességnél ez a beavatkozás már veszélyezteti a menetstabilitást, ezért másféle intézkedés szükséges. Amikor a kipörgő kerék szabályozott fékezése nem elég hatékony, illetve ha a gépkocsi sebessége nagyobb 40 km/h-nál a CAN hálózaton érkező parancs hatására a motor elektronika csökkenti a hajtó nyomatékot. Ennek is jelentős stabilizáló hatása van a gépkocsira. A kipörgésgátlóval kapcsolatos elnevezések A szakma ezzel a menetdinamikai szabályozóval kapcsolatosan sokféle elnevezést és rövidítést használ. Az ASR például a német Antrieb Schlupf Regelung elnevezésből származik. Ugyanezt angolul Traction Control System –nek nevezik és a TCS rövidítést használják. A motor hajtó nyomatékának csökkentését, illetve leszabályozását Engine Traction Control –nak nevezik és ETC – nek rövidítik. A vonóerő átvitel kihasználásnak javítására használják kis sebességnél a Brake - Lock Differential kifejezést (BLD). Motorfék használatakor (toló üzem) a szabályozást Engine Dragtoque Controlnak nevezik, amit EDC –nek rövidítenek. Mindkét oldalon a túlpörgő kerék nyomatékszintjére szabályoz az elektronika az ETC szabályzás révén. Ez hatékonyan növeli a gépkocsi menetstabilitását. Amikor az útfelület két oldalán jelentősen eltérő a tapadási tényező, irányított nyomatékelosztás (torque vectoring) valósul meg. Ez különösen a nagyobb tapadási tényezőnél, illetve kanyarban 0 – 100 km/h közötti sebességtartományban valósul meg. Elinduláskor és gyorsításkor is a tapadási tényezővel arányos az átvihető nyomaték. A kipörgésgátló (ASR) felismeri, ha a keréken a pillanatnyi tapadási tényezőhöz képest túl nagy a vonóerő és ezért túlpörög a hajtott kerék. Ezen állapot elkerülésére az ABS/ASR elektronika a CAN hálózaton keresztül a motor elektronikának küldött paranccsal csökkenti a motor hajtó nyomatékát. Ha a gépkocsi sebessége 40 km/h –nál kisebb, lefékezi a kipörgő kereket. Ehhez bekapcsolja a hidraulika egység fékfolyadék szivattyúját, hogy létre jöjjön a szükséges fékező nyomás. Ez azonban a többi
133
elektromágneses szelep működtetése révén csak a kipörgő kerékhez jut el. Így elkerülhetővé válik a gépkocsi megfarolása, kitörése, ami súlyos balesethez vezetne. Ottó motoroknál a nyomaték csökkentése többféle módon is megvalósulhat: -
Előgyújtás vissza állítás. Ennek az eredménye nagyon gyors, de a katalizátor kímélése miatt csak rövid ideig használható.
-
A
benzinbefecskendező
szelepek
kitöltési
tényezőjének
csökkentése.
Az
előző
beavatkozásnál ez nagyobb nyomatékcsökkenést eredményez, de hatása annál lomhábban következik be. Nem szükséges viszont korlátozni, mert ez nem veszélyezteti a katalizátort. -
A pillangószelep villanymotoros állítása zárás irányban. Ennek a legnagyobb a nyomaték csökkentő hatása, de a többinél lassabban vezet eredményre.
A különböző autógyárak ezeket a beavatkozási lehetőségeket kombinálni szokták. A dízel motorok nyomatékcsökkentése a dózis mérséklésével történik. A korszerű motoroknál ezek a beavatkozások az ABS/ASR elektronika és a motor elektronika közötti CAN hálózati adatátvitel révén valósulnak meg.
Hidraulikus fék, ABS, ASR rendszerek 4.8.1. A
személygépkocsik
hidraulikus
fékrendszereinél
alkalmazott
mechatronikai alkalmazások A fékrendszer működése révén lassítja, megállítja, illetve rögzített helyzetben tartja a járművet. Nagy jelentősége miatt a különböző országokban, és az egyes országokon átívelő nemzetközi hatósági előírások vonatkoznak rájuk. A fékrendszer a gépkocsik aktív biztonságának fontos eleme, ezért hatásosságukat és kialakításukat is rögzítik az előírások. A személygépkocsik üzemi fékrendszerénél általában vákuumos, vagy hidraulikus rásegítővel ellátott hidraulikus féket alkalmaznak. A mechatronika alkalmazásának lehetőségei ezen a területen:
4.8.2. Az üzemi fék rásegítőinek energiaellátása: -
vákuumszivattyúk, vagy a
-
hidraulikaszivattyúk működtetése vezérléssel, vagy szabályozással.
Dízel motoros gépkocsiknál és villanyautóknál szükséges a vákuumszivattyú a fékezéshez az energia előállítására. Újabban már az Otto-motoros járműveknél is alkalmazzák, mert így nagyobb vákuum hozható létre. Így egyrészt kisebb lehet a vákuumos fékrásegítő átmérője és emiatt a helyigénye, másrészt pedig komfortosabbá tehető a fékezési folyamat. A fékasszisztens alkalmazásának kezdetén a vákuumos fékrásegítőt is kiegészítették elektronikával, fékpedál elmozdulás érzékelővel és elektromágneses szeleppel. Újabban a fékasszisztens az ABS rendszer kiegészítő rendszereként valósul meg.
134
4-9. ábra A személygépkocsik hidraulikus üzemi fékrendszerének áttekintése, szaggatott fekete vonallal megjelölve a mechatronika alkalmazási területeit
4.8.3. Villanymotoros vákuumszivattyú Ez az egység a vákuumos fékrásegítő energia ellátását biztosítja. Egy egyenáramú villanymotorból és egy többnyire szárnylapátos működésű vákuumszivattyúból áll. Beépítése és működése független a belsőégésű motortól. Az excentrikus forgórészbe beillesztett lapátok forgás közben a centrifugális erő hatására felfekszenek a ház belső palástjára. A lapátok közötti folyamatosan növekvő térfogat hozza létre a vákuumot, melyet a vákuumos rásegítő működtetésére használnak fel. Elektromosan általában úgy kötik be, hogy a belsőégésű motor indítását követően néhány másodpercen belül működésbe lép a vákuumszivattyú is.
4-10. ábra Villanymotoros vákuumszivattyú
4.8.4. Vezérléssel működő villanymotoros vákuumszivattyú
135
Ennél a változatnál nem alkalmaznak nyomás érzékelőt, így tehát nincs visszacsatolás a szivattyú működéséről, melyet a motor elektronika felügyel. A vákuumos fékrásegítő által a rendszerben létrehozott nyomást az elektronika a következő működési paraméterek érzékelése alapján becsli meg: -
a pillangó szelep helyzete,
-
a belsőégésű motor fordulatszáma,
-
a féklámpa kapcsoló nyitott, vagy zárt állapota.
Egy az elektronikában tárolt matematikai modell segítségével határozza meg a pillanatnyi nyomást. Ennek megfelelően a test rá-, vagy lekapcsolásával működteti a szivattyút hajtó villanymotort. Ennek a vezérlésnek természetesen egy bizonyos hiszterézise van.
4.8.5. Szabályozással működő villanymotoros vákuumszivattyú Ennél a változatnál nyomásérzékelőt alkalmaznak, melyet a vákuumszivattyú és a vákuumos fékrásegítő közötti csőszakaszba kötnek be. A membrános nyomásérzékelőt az elektronika a gyújtás bekapcsolása után folyamatosan ellátja 5 V tápfeszültséggel. Az aktuális nyomás okozta membrán deformációval arányos feszültség jelet a működtető elektronika folyamatosan kiértékeli és összehasonlítja az eltárolt szükséges értékkel. Ennek megfelelően működteti a szivattyút. A működési jelleggörbe az elektronikában el van tárolva. Ha a nyomásérzékelő meghibásodik, az elektronika automatikusan átkapcsol a vezérelt üzemmódra.
4-11. ábra Nyomás érzékelővel ellátott, szabályozással működő villanymotoros vákuumszivattyú
Hidraulikus rásegítővel működő fékrendszer A Toyota Prius Hibrid hajtású gépkocsinál nem vákuumos, hanem hidraulikus fékrásegítőt alkalmaznak. A gépkocsi harmadik generációjának fékrendszerét a gyártója ECB-3 –nak nevezi az angol Electronic Controlled Brake megnevezés alapján. A Japán Aisin a beszállítója a rendszer fontosabb elemeinek. A fékrendszer a kerékfékszerkezeteken kívül két egységből áll: 136
-
Kompakt fékező egység az elektromágneses szelepekkel és az elektronikával.
-
Villanymotorból, szivattyúból, és nyomástárolóból álló egység.
A hidraulikus tápegységnél villanymotorral hajtott szivattyú hozza létre a fékezéshez szükséges rásegítő nyomást és egy nyomástárolót is felszerelnek az egységre. A villanymotorral hajtott hidraulika szivattyút a nyomáskapcsolók működtetik.
4-12. ábra A Toyota Prius fékező egység az elektromágneses szelepekkel és az elektronikával.
4-13. ábra villanymotorral hajtott fékfolyadék szivattyú és nyomástároló.
137
4-14. ábra A Toyota Prius III ECB-3 hidraulikus rásegítős fékrendszere az ABS szabályozás elektromágneses szelepeivel.
A fékezési folyamat úgy zajlik a Toyota Prius III -nál, hogy a fékpedál lenyomásakor a kialakult nyomást az érzékelő megméri, és az értéket továbbítja az elektronikának. Ez a vezető szándékának megfelelő teljes fékerő. Ebből az elektronika kikalkulálja, hogy mekkora fékező nyomaték valósítható meg regeneratív módon. A parancs kiadása után megméri, hogy ténylegesen mekkora az így megvalósult fékerő hányad. Ezután meghatározza, hogy a hidraulikus fékrendszernél mekkora fékező nyomás szükséges. Ezt felosztja az elő-, és a hátsó futóműnek megfelelő értékre. Ennek megfelelően elektromágneses szelepekkel módosítja a vezető által létrehozott nyomást az első és a hátsó futómű kerekeinél. Tehát a teljes fékerő két részből tevődik össze, a regeneratív és a hidraulikus fékerőből. Regeneratív fékezés természetesen csak a hajtott kerekeknél lehetséges. Az előbbiekben vázolt folyamat természetesen a valóságban a másodperc töredéke alatt zajlik le.
138
4-15. ábra A Toyota Prius –nál lezajló fékezési folyamat
A hibrid és villanyautók kétféle fékezési lehetősége: -
Hagyományos súrlódásos fékkel, általában hidraulikus működtetéssel.
-
Energia visszatáplálásos fékezéssel.
Ez utóbbi az előnyösebb, mert a gépkocsi mozgási energiáját át tudja alakítani másfajta energiává, mely újra hasznosíthatóvá válik. Az a hátránya viszont, hogy csupán a gépkocsi lassításra alkalmas. A teljes megálláshoz, illetve a rögzítve tartáshoz súrlódásos fékre van szükség. A kétféle fékezési mód összehangolását elektronika segítségével lehet megvalósítani.
4.10.1.
Energia visszatáplálásos fékezés
A gépkocsi menetciklusait megvizsgálva látható, hogy az energia visszatáplálásos fékezésnél lényegesen rövidebb ideig működik a hidraulikus fék berendezés. A gyorsításra felhasznált energia egy részét vissza lehet nyerni. Ezért a gépkocsi üzemeltetése gazdaságosabb lesz.
4-16. ábra Egy bizonyos menetciklusnál végrehajtott fékezések.
139
4-17. ábra Az előző menetciklus szerinti fékezések, amikor a regeneratív lassítás is működik
A menetciklus egyes szakaszai a gépkocsi felgyorsításából, állandó sebességű haladásból lassításból és megállásból tevődnek össze. A gyorsítás során felhasznált energia arra fordítódik, hogy le lehessen győzni a tehetetlenségi erőket, a gördülési ellenállást és a légellenállást. A tömegtehetetlenség legyőzéséhez szükséges motor teljesítmény: ∙∙ A légellenállás legyőzéséhez szükséges motor teljesítmény:
∙ ∙ ∙ 2 A gördülési ellenállás legyőzéséhez szükséges motor teljesítmény: ∙∙∙
Ebből az energiából a következő lassításnál viszont csak a tehetetlenségi erővel arányos energia nyerhető vissza a generátoros fékezés segítségével.
140
4-18. ábra A gyorsításhoz, és a haladáshoz szükséges motor teljesítmény és a visszanyerhető energia.
Az energia visszanyerési potenciál (Ep) a gyorsításhoz befektetett és a lassításnál visszanyerhető energia hányadosa:
4-19. ábra A regeneratív fékezés energia visszanyerési potenciálja
Az energia visszatáplálásos fékezés megvalósításának lehetőségei: A hibrid, vagy villany autók fékezésénél az egyes futóművek közötti fékerő felosztáson kívül azt is figyelembe kell venni, hogy mely kerekek a hajtottak. A hidraulikus és a generátoros fékezés között is meg kell találni az optimális fékerő arányt. Ezt szemlélteti az alábbi ábra.
141
4-20. ábra Különböző gépkocsiknál a fékerők felosztása a hidraulikus és a regeneratív fékezés között
Az energia visszatáplálásos fékezéseknél különböző veszteségekkel is számolni kell. A teljes mozgási energia nem használható fel a generátor hajtására a súrlódásos és a ventillációs veszteségek miatt. Az akkumulátorban történő energia tárolásnál is kell veszteséggel számolni. Ezek miatt az újrahasznosítható energia kisebb, mint a gépkocsi mozgási energiája volt a fékezés pillanatában. Jelenleg a tervezéseknél 75% -os hatásfokot szoktak figyelembe venni az energia újrahasznosításnál.
4-21. ábra Az előzőekben ismertetett menetciklusnál a regeneratív fékezéssel újrahasznosítható energia
A jelenleg megvalósított hibrid hajtás változatok: -
mild hibrid, - többnyire egyszerű „start-stopp” működést tesz lehetővé 142
-
mikro hibrid - lehetővé teszi az energia visszatáplálásos fékezést és gyorsításkor a rásegítést
-
full hibrid – ennél a változatnál már tisztán elektromos hajtás is lehetséges.
Ez utóbbiak lehetnek soros és párhuzamos hibridek is. A hibrid hajtású gépkocsikat, mint például a Toyota Prius is ECB (Electronically Controlled Brake) elektronikusan szabályozott fékrendszert építenek be, mely egyesíti a kétféle fékezés lehetőségét. A 2001 – 2003 között gyártott változatok hidraulikus fékrendszerét ABS -el és elektronikus fékerő felosztással is ellátták. A 2004 után gyártottaknál már olyan ESP rendszert szereltek be, mely az elektromechanikus szervokormányon keresztüli beavatkozásra is alkalmas, továbbá az elektronikus fékerő felosztáson kívül fékasszisztenssel is kiegészült. A Toyota Prius -ba a belsőégésű motoron kívül két villamos gépet szerelnek, Az egyik rendszerint generátorként, a másik motorként működik. A három erőforrás között egy bolygóműves egység létesít kapcsolatot. A csomagtartóban helyezik el a 300 V névleges feszültségű akkumulátor egység. A három fázisú váltakozó áramú gép miatt inverre és transzformátorra is szükség van. A gépkocsiba beépített egyéb elektromos rendszerek a szokásos módon 12 V feszültséggel működnek, ezért egy normál akkumulátor sem nélkülözhető ennél a gépkocsinál.
5. Épület-mechatronika trendek 6. Bio-mechatronika trendek A hordár robot kifejlesztésekor a lovak járást és a tehenek felállását tanulmányozták, mert a hegyi tereppel a lovak tudnak a leghatékonyabban megbirkózni, de a lovak teherrel nem hajlandók felállni. A tehenek felállása mechanikai szempontból hatékonyabb.
143
6-1. ábra A Hordár robot 180 kg terhet képes cipelni
144
6-2. ábra A Hordár robot a tehenekhez hasonlóan áll fel és ül le
7. Agro-mechatronika trendek
145
