Design of an actuation system for a haptic glove

Abstract

In this thesis, the design of a magneto-rheological fluid-based brake (MR brake) system that is aimed to be used on a conceptually designed force feedback virtual reality glove is presented. The reasons of MR brakes are assigned for this task is that they can provide high torque output in smaller volumes/masses, their ability to operate with low power requirements and their safe natures. During their designs, in addition to ensuring their usability for a haptic glove application, solutions have been presented and applied for the sticky wall and high off-state torque problems observed in the MR brake systems. In addition to these, a novel study has been carried out to overcome the low torque-to-mass ratio problem observed in drum-type MR brake architectures used for applications requiring small sizes due to their high manufacturability. The design starts with the determination of the requirements. Later, the mathematical models were developed to estimate the output torques to be obtained from the MR brake and the solid models of the parts were created respectively. In order to estimate the performance of the developed system, magneto-static finite element analyses (FEA) were carried out. The models were updated in line with the analysis results and, the production phase was started after all the design criteria are met. A prototype MR brake system was produced, assembled and tested in order to experimentally verify the analysis results. In the tests carried out, it was observed that all the determined design criteria were met and the developed MR brake system was found to be suitable to be used in a haptic glove application. Based on the test results, the off-state torque seen in MR brake systems, which can increase up to 25% of the maximum output torque, has been reduced to 3% of the total torque output and found to be 23 mN.m. Additionally, thanks to the improved drum-type design, the typical torque-to-mass ratio seen in drum-type MR brake architectures is increased from 1.4 N.m/kg to 2. 90 N.m/kg within 206 grams of mass and 597 mN.m of dynamic torque range of the developed system.

Bu tezde, kavramsal olarak tasarlanmış bir kuvvet geri beslemeli sanal gerçeklik eldiveni üzerinde kullanılması amaçlanan manyeto-reolojik sıvı bazlı bir fren (MR fren) sisteminin tasarımı sunulmaktadır. MR frenlerin bu göreve atanmasının nedeni, daha küçük hacimlerde/kütlelerde yüksek tork çıkışı sağlayabilmeleri, düşük güç gereksinimleri ile çalışabilmeleri ve güvenli olmalarıdır. Tasarımları sırasında, dokunsal eldiven uygulaması için kullanılabilirliklerinin sağlanmasının yanı sıra, MR fren sistemlerinde gözlenen yapışkan duvar ve yüksek kapalı-durum torku sorunlarına çözümler sunulmuş ve uygulanmıştır. Bunlara ek olarak, küçük boyut gerektiren uygulamalar için yüksek üretilebilirlikleri nedeniyle kullanılan davul-tipi MR fren mimarilerinde gözlenen düşük tork-kütle oranı sorununun üstesinden gelmek için yeni bir çalışma yapılmıştır. Tasarım, gereksinimlerin belirlenmesi ile başlamıştır. Daha sonra MR frenden elde edilecek çıkış torklarını tahmin etmek için matematiksel modeller geliştirilmiş ve elde edilen modeller doğrultusunda parçaların katı modelleri oluşturulmuştur. Geliştirilen sistemin performansını tahmin etmek için manyeto-statik sonlu elemanlar analizleri (FEA) gerçekleştirilmiştir. Analiz sonuçları doğrultusunda modeller güncellenmiş ve tüm tasarım kriterleri sağlandıktan sonra üretim aşamasına geçilmiştir. Analiz sonuçlarını deneysel olarak doğrulamak için prototip bir MR fren sistemi üretimi ve montajı sağlanarak testleri gerçekleştirilmiştir. Yapılan test sonuçları incelendiğinde, belirlenen tüm tasarım kriterlerinin karşılandığı gözlemlenmiş ve geliştirilen MR fren sisteminin bir haptik eldiven uygulamasında kullanılabilirliğinin uygun olduğu görülmüştür. Test sonuçlarında, MR fren sistemlerinde görülen ve maksimum çıkış torkunun %25'ine kadar ulaşabilen kapalı-durum torkunun, maksimum tork çıkışının %3'üne denk geldiği ve 23 mN.m olduğu bulunmuştur. Ek olarak, iyileştirilmiş davul-tipi tasarım sayesinde, sıradan davul-tip MR fren mimarilerinde görülen tipik 1.4 N.m/kg tork-kütle oranı, sistemin sahip olduğu 206 gram kütle ve 597 mN.m dinamik tork aralığında 2.90 N.m/kg'a yükseltilmiştir.