Come ottenere il controllo preciso e affidabile di apparecchiature industriali pesanti in ambienti difficili

I progettisti di attrezzature pesanti per l'edilizia, l'industria, la robotica, la marina e l'aeronautica stanno aggiungendo sempre più funzionalità, cercando allo stesso tempo il modo di implementare un controllo sempre più preciso di operazioni e movimenti delicati utilizzando sistemi di controllo leggeri e compatti. Questi obiettivi devono essere raggiunti anche in un ambiente difficile sia dal punto di vista fisico che elettrico.

Per soddisfare queste esigenze, i progettisti devono garantire che l'interfaccia utente abbia il livello di precisione, la flessibilità direzionale e il riscontro tattile necessari per un controllo accurato e allo stesso tempo sia robusta e affidabile per temperature estreme e molteplici cicli di utilizzo.

Anche se i touchscreen hanno il loro motivo, mancano però del riscontro tattile e della robustezza necessari. Inoltre, i classici joystick X/Y tendono a essere troppo ingombranti e privi del numero di opzioni di segnalazione e di assi necessari per il massimo controllo direzionale. I progettisti possono invece utilizzare joystick a profilo ribassato, anche detti thumbstick, che sono in grado di fornire un controllo più preciso in un fattore di forma robusto. Azionati dal pollice o dalle dita dell'utente, questi piccoli dispositivi offrono un facile accesso a più input, anche in ambienti angusti.

Questo articolo illustra brevemente i motivi per cui le moderne apparecchiature industriali e altre attrezzature pesanti richiedono controlli di maggiore precisione e come i thumbstick a profilo ribassato siano una soluzione adatta. Esamina quindi i principali criteri di progettazione e implementazione, tra cui la selezione dei sensori, la resistenza e le opzioni di progettazione fisica ed elettrica. Vengono portati a esempio i thumbstick a profilo ribassato di APEM Inc..

Apparecchiature più sofisticate richiedono controlli più precisi

L'esigenza di migliori controlli da parte dell'operatore si è accelerata a causa di due tendenze principali: la crescente complessità delle mansioni sul posto di lavoro e l'adozione di tecnologie avanzate. Queste tendenze stanno determinando la necessità di controlli non solo più precisi, ma anche più complessi, spesso con più assi di movimento.

Per illustrare questo aspetto, si pensi alle gru a cavalletto marine che caricano e scaricano le navi container. Più le navi diventano più grandi, più le gru devono lavorare velocemente per rispettare un tempo di permanenza in porto accettabile (che influisce direttamente sui profitti). Allo stesso tempo, l'inasprimento delle normative impone di migliorare la sicurezza e l'impatto ambientale.

Anche l'intero ambiente portuale è in una fase di cambiamento. Le navi, i treni, gli autocarri e le altre attrezzature di questi porti hanno aggiunto tecnologie che aumentano la necessità di un coordinamento ad alta precisione. Ad esempio, i veicoli a guida automatica (AGV) sono utilizzati per trasportare le merci all'interno del porto e richiedono un posizionamento preciso delle merci.

Per far fronte a tutti questi aspetti, le gru stanno passando dal funzionamento idraulico a quello elettrico. Ciò non solo aumenta la velocità e la precisione, ma migliora anche la versatilità, consentendo combinazioni più complesse di escursioni orizzontali, verticali e rotatorie.

Adattare i comandi dell'operatore alle capacità dell'apparecchiatura

Per controllare queste apparecchiature sempre più sofisticate, gli operatori hanno bisogno di controlli multiasse altrettanto capaci, che devono essere precisi, affidabili e facili da usare.

I touchscreen sono un'opzione. Sono facili da usare e possono facilmente ospitare più input simultanei. Tuttavia, sono sensibili e soggetti a sfioramenti accidentali. Sporcizia, umidità e temperature estreme possono causare malfunzionamenti e gli schermi sono vulnerabili ai danni fisici e alle interferenze elettromagnetiche. Soprattutto, non offrono il riscontro tattile, il che li rende poco adatti all'utilizzo in concomitanza con attrezzature pesanti.

I joystick risolvono molti di questi problemi. Il montaggio di un joystick in una console del bracciolo o in una scatola di comando risulta in un input comodo ed ergonomico. Se progettati adeguatamente, possono resistere a condizioni ambientali difficili. Possono anche fornire un riscontro fisico all'operatore, mantenendo l'attenzione visiva sullo spazio di lavoro.

Tuttavia, i joystick tradizionali possono occupare molto spazio in ambienti angusti e sporgere in modi che li rendono suscettibili all'azionamento involontario. Anche quando lo spazio è abbondante, il fatto che i joystick richiedano agli operatori movimenti relativamente ampi limita la loro precisione.

I thumbstick risolvono questi problemi riducendo i joystick a dimensioni più maneggevoli. Azionati dal pollice o dal dito, questi dispositivi a profilo ribassato riducono al minimo il rischio di azionamenti accidentali. Assicurano input precisi e fluidi e gli operatori possono facilmente manipolare due thumbstick contemporaneamente, risolvendo il problema di input multipli.

I joystick a profilo ribassato sono particolarmente adatti ai controller portatili, come le scatole di comando o i dispositivi palmari. Ma qualsiasi applicazione con spazi ristretti può beneficiare delle loro dimensioni ridotte.

Selezionare il sensori giusto

Naturalmente, non tutti i thumbstick sono uguali. Per prima cosa, possono utilizzare una varietà di sensori di posizione, tra cui potenziometrici (cioè resistivi), induttivi, fotoelettrici o a effetto Hall (cioè magnetici). Ognuna di queste opzioni ha i suoi pro e i suoi contro:

• I sensori potenziometrici sono semplici ed economici, ma hanno una durata limitata.
• I sensori induttivi sono più affidabili, ma sono sensibili alle variazioni di temperatura e alle interferenze elettromagnetiche (EMI).
• I sensori fotoelettrici sono precisi, ma sono vulnerabili alla polvere, all'umidità e ai danni fisici.
• I sensori a effetto Hall sono precisi e durevoli, ma possono essere influenzati da forti campi magnetici.

Considerando tutti questi compromessi, un sensore a effetto Hall è spesso la scelta migliore per il rilevamento di alta precisione in un ambiente robusto. I sensori a effetto Hall, funzionanti a 3,3 o 5 V c.c. e implementati con una meccanica robusta, danno vita a un dispositivo in grado di sopportare una durata meccanica di 10 milioni di cicli.

I sensori a effetto Hall posizionano una sottile striscia di materiale conduttivo tra due elettrodi (Figura 1). Quando una corrente (I) attraversa la striscia e viene applicato un campo magnetico (B) perpendicolarmente ad essa, si genera una differenza di tensione (U_H) attraverso la striscia. Questa differenza di tensione è chiamata tensione di Hall, proporzionale all'intensità e alla direzione del campo magnetico.

Figura 1: La tensione di Hall (U_H) viene generata quando una corrente (I) passa attraverso una striscia conduttiva e una densità di flusso magnetico (B) è posta perpendicolarmente alla striscia. (Immagine per gentile concessione di Wikipedia)

Ecco alcuni vantaggi dei sensori a effetto Hall rispetto ad altri tipi di sensori nelle applicazioni industriali dei joystick:

• sono senza contatto e non si usurano nel tempo;
• sono immuni a polvere, sporcizia, umidità e vibrazioni;
• possono misurare spostamenti lineari e angolari con elevata precisione e risoluzione;
• possono funzionare in un ampio intervallo di temperature e tensioni;
• possono essere facilmente integrati con l'elettronica digitale e i microcontroller.

I sensori a effetto Hall sono particolarmente utili perché possono rilevare sia la posizione che l'angolo. Ciò li rende adatti ai controlli multiasse, come i joystick con controlli X/Y ma anche con una presa centrale dell'asse Z.

Detto questo, il sensore è solo uno dei parametri di progettazione da considerare. Il successo dell'implementazione di un thumbstick a effetto Hall richiede un'attenta considerazione di diversi parametri fisici ed elettrici.

Posizionamento di un thumbstick sul pannello di controllo

A volte un thumbstick può essere montato in una posizione fissa protetta, come un pannello di controllo. Più spesso, gli operatori devono essere vicini al punto di lavoro, limitando le opzioni a posizioni come console, braccioli del veicolo, pendenti e scatole di comando.

Se il thumbstick è alloggiato in un involucro portatile, è necessario proteggerlo da possibili cadute. Per garantirne l'affidabilità a lungo termine, è necessario adottare precauzioni di base, come il montaggio all'estremità più leggera della struttura, in modo che non cada per primo a terra, o la protezione con uno scudo.

I veicoli sono un'altra situazione di rischio. I comandi a bordo di un'imbarcazione o di un veicolo in fase di beccheggio possono essere un appiglio poco opportuno, per cui è importante mantenere le manopole all'altezza minima possibile per evitare operazioni accidentali potenzialmente pericolose.

In tutte queste situazioni, i thumbstick non devono estendersi per più di 50 mm oltre la faccia di un pannello. Inoltre, deve essere previsto uno spazio sufficiente tra il thumbstick e gli altri comandi del pannello, con uno spazio aggiuntivo se l'operatore indossa grossi guanti.

Rinforzo di un joystick a profilo ribassato

I joystick industriali sono spesso esposti a possibili cadute o all'ingresso diretto di acqua, pertanto devono avere un grado di protezione almeno IP66. Questo grado può essere ottenuto con una ghetta, cioè una fodera flessibile che può espandersi e contrarsi quando il joystick si muove (Figura 2).

Un joystick può essere inserito in un'apertura del pannello o montato dal retro. In entrambi i casi, la parte inferiore del pannello non deve essere soggetta a spruzzi d'acqua, umidità eccessiva o polvere, poiché questa sezione del joystick non è protetta dalla ghetta.

Figura 2: Il montaggio di un thumbstick a profilo ribassato (a sinistra) utilizza una mascherina e viti svasate; il montaggio posteriore (a destra) utilizza viti a macchina e relativi dadi, ma senza mascherina. Una ghetta garantisce la protezione IP66. (Immagine per gentile concessione dell'autore, da materiale di APEM)

Per massimizzare la durata, i progettisti dovrebbero optare per un dispositivo con un albero in acciaio inossidabile, con bilancieri in metallo altrettanto resistenti, una meccanica di base e limitatori. Come già detto, i dispositivi portatili sono soggetti a cadute, quindi il joystick deve essere testato per tollerare una caduta libera da 1 metro. I progettisti devono inoltre verificare che i valori nominali siano appropriati per la protezione dalle vibrazioni, la compatibilità elettromagnetica (EMC) e le scariche elettrostatiche (ESD), in conformità agli standard IEC applicabili.

Anche la resistenza alle temperature estreme è fondamentale in ambienti difficili. Ad esempio, i joystick a profilo ribassato serie XS di APEM sono progettati per una temperatura di funzionamento compresa tra -30 e +85 °C e una temperatura di stoccaggio compresa tra -40 e +110 °C.

Infine, se il thumbstick deve essere utilizzato in un'applicazione critica per la sicurezza (come spesso accade), è meglio optare per un livello di integrità della sicurezza (SIL) pari a SIL2 o superiore.

Considerazioni di progettazione dei fattori di usabilità umana

La scelta dei materiali giusti e l'ergonomicità del joystick possono avere un impatto significativo sull'usabilità. I progettisti devono tener presente che il controller potrebbe essere bagnato o sporco e che l'operatore potrebbe indossare guanti pesanti. Pertanto, la calotta del joystick dovrebbe essere in un materiale come il nylon per fornire una superficie resistente ma facilmente impugnabile.

Come illustrato nella Figura 3, sono disponibili numerosi stili di calotte per i joystick per diversi casi d'uso. Ad esempio, il joystick XS140SCA12A62000 di APEM è dotato di una calotta castellata (a sinistra). Questa calotta facilita all'operatore percepire gli assi principali X e Y, aiutando a mantenere una traiettoria rettilinea. Il modello XS140SDM12A62000, invece, utilizza una calotta per la punta delle dita adatta a movimenti arbitrari.

Figura 3: La calotta castellata fornita sul modello XS140SCA12A62000 (a sinistra) e la calotta piatta fornita sul modello XS140SDM12A62000 (a destra) sono adatte rispettivamente al movimento lineare e a quello arbitrario. (Immagine per gentile concessione dell'autore, da materiale di APEM)

I joystick possono anche essere dotati di una sensazione guidata. Un joystick di questo tipo si muove più facilmente verso gli assi principali; allontanarsi da questi assi richiede una forza maggiore. Allo stesso modo, un joystick può essere dotato di una forza di centraggio che ne aumenta la resistenza complessiva. Ad esempio, il joystick a profilo ribassato serie XS di APEM può essere spinto al centro con una forza di 1 o 2,5 Newton.

Infine, un joystick può essere configurato con una serie di funzioni relative alla posizione centrale.

• L'aggiunta di una funzione tattile centrale consente di utilizzare il joystick come un pulsante, semplificando il pannello di controllo e consentendo azioni più complesse.
• In alternativa, la presa centrale può essere utilizzata per il test di tensione per garantire il corretto funzionamento dell'alimentazione.
• Per le applicazioni che richiedono un indicatore di stato attivo/inattivo, una funzione di rilevamento centrale può determinare se il joystick è in uso (questa funzione non deve essere utilizzata per scopi di sicurezza o protezione).

Si noti che queste opzioni si escludono a vicenda. È importante individuare le funzioni più adatte all'implementazione sul joystick e quelle che possono essere mappate su altri controlli.

Considerazioni sulla progettazione elettrica

Per la massima affidabilità, è bene scegliere un joystick con sensori a effetto Hall ridondanti. Inoltre, l'alimentazione deve essere attentamente regolata. Se l'alimentazione dovesse variare al di fuori delle tolleranze specificate, potrebbero verificarsi danni permanenti ai sensori, annullando i vantaggi della ridondanza.

Anche le uscite di tensione del joystick richiedono una progettazione accurata. Per prima cosa, occorre selezionare il tipo di segnale di uscita (ad esempio, analogico o a modulazione della larghezza di impulsi (PWM)) e scalare la tensione in modo che corrisponda agli ingressi previsti dell'unità microcontroller (MCU) che leggerà questi segnali. La Figura 4 illustra un esempio di queste possibili tensioni di uscita. Occorre inoltre considerare l'impedenza di uscita. Una bassa resistenza di carico (ad esempio, <10 kΩ) pone il rischio di correnti elevate che potrebbero danneggiare il sensore.

Figura 4: Per i joystick multiasse, le due tensioni di uscita (X/Y) devono essere scalate per adattarsi agli ingressi dell'MCU. (Immagine per gentile concessione di APEM)

Come già detto, i sensori a effetto Hall sono vulnerabili alle interferenze magnetiche. Un joystick ben progettato incorporerà quindi uno schermo magnetico. È necessario disaccoppiare correttamente l'alimentazione e utilizzare un'adeguata schermatura EMC. Anche con queste misure, il joystick non deve essere montato o utilizzato in prossimità di forti campi magnetici.

Conclusione

Con l'aumentare della complessità delle apparecchiature industriali, i progettisti hanno bisogno di controlli più robusti per garantire che l'interfaccia utente abbia il livello di precisione, la flessibilità direzionale e il riscontro tattile necessari per un controllo accurato e allo stesso tempo robusto e affidabile in caso di temperature estreme e molteplici cicli di utilizzo. Come dimostrato, un joystick a profilo ribassato può essere una soluzione ideale. Con un'adeguata considerazione del sensore di posizione, del grado di protezione IP, dell'isolamento elettromagnetico e dell'usabilità umana, supportata da un'attenta implementazione del progetto, un thumbstick può offrire molti vantaggi in un'ampia gamma di applicazioni.