Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

Рнс. 2.23. Пропорциональная тактильная матрица на основе проводящего силиконового каучука:

1 — кольцевые элементы матрицы, образующие столбцы; 2 — элементы матрицы, образую­

щие строки; 3 — диоды; 4 — печатная плата; 5 — эластомер; 6 — защитная пластиковая пленка

Рнс. 2.24. Зависимость удельного сопротивления от нагрузки для проводящего силиконового каучука

Основной недостаток эластомеров заключается в появлении усталостных изменений в материале, что выражается в образовании микротрещин и приводит к резкому падению удельной проводимости эластомера, вследствие чего он выходит из строя.

Всилу существенно нелинейных характеристик и очень ограни­ ченной зоны пропорциональности силиконовый каучук с наполнителем в виде графитового или металлического порошка целесооб­ разно использовать для тактильных датчиков, когда не требуется высокая разрешающая способность по давлению, а также в датчи­ ках касания.

Вкачестве материала для тактильных датчиков могут быть использованы углеродные нити, каждая из которых представляет собой пучок, содержащий до нескольких тысяч волокон диаметром от 7 до 30 мкм. Электрическое сопротивление контакта в месте пере­ сечения двух нитей имеет большое значение, вследствие высокой чистоты материала. Изменение сопротивления под действием на­ грузки носит плавный характер, что объясняется суммарными свойствами отдельных контактирующих волокон. Таким образом,

электрическая проводимость пересечений определяется числом кон­ тактов между волокнами. Уровень микрофонного или сейсмического шума такого множественного контакта оказывается довольно низ­ ким, так как возникшие контакты весьма устойчивы, а процент ненадежных контактов невелик, причем уровень помех тем ниже, чем больше волокон в каждом пучке. Это объясняется усреднением влияния абсолютного числа соединений.

Электрический контакт неиагруженного пересечения двух пуч­ ков размером 0 ,5 x 0 ,5 мм (под действием собственной массы) имеет сопротивление порядка 2 кОм, а уровень помех составляет примерно 5 % номинального сопротивления. При приложении нагрузки

52

F

Рнс. 2.25. Углеволоконный тактильный датчик:

I — слой угольных волокон; 2 — фольговые электроды; 3 — электрические контакты

Рнс.2.26. Зависимость сопротивления R углеволоконного датчика площадью 5 см2 от нагрузки:

А — область сейсмических и микрофонных шумов; В — область, в которой уплотнение воло­ кон увеличивает число путей для протекания тока; С — область искривления волокон; D — область, в которой вследствие деформации волокон увеличивается площадь их контакт

в 10 Н сопротивление надает до 1 кОм, а уровень помех уменьшается до 0,5 %.

Признаки повреждений пучков углеродных нитей наблюдаются начиная с давлений порядка 400 МПа, поэтому углеволоконные датчики целесообразно использовать при контактных давлениях, не превышающих 200 МПа. Рассматриваемые тактильные датчики имеют малый гистерезис, который не превышает 1 %.

Конструктивно тактильный преобразователь из углеродного во­ локна может быть оформлен как кусок ткани, выполненной из параллельно расположенных четырехмиллиметровых чередующихся нитей стекловолокна и графита, поперечно переплетенных стекло­ волокном. Два кусочка такой ткани накладывают один на другой так, что включенные в них волокна графита пересекаются под пря­ мым углом, образуя тактильную пропорциональную матрицу.

Другой удобной формой материала для тактильных углеволо­ конных датчиков является «войлочная» структура (рис. 2.25). Угле­ родные пряди разделяются на отрезки длиной около 2,5 мм, уклады­ ваются в форму и уплотняются. Полученный материал не имеет механической структуры. Его номинальная толщина 1 мм. Сопротив­ ление ненагруженного элемента площадью 1 см2 составляет около 200 Ом. Из этого материала можно вырезать тактильные элементы различной формы: шайбы, прямоугольные или квадратные пластины и т. п. Нагрузочная характеристика одного из образцов тактильного датчика на основе углеродных волокон показана на рис. 2.26.

Недостаток углеродного волокна как материала для тактильных датчиков заключается в сложности присоединения к матрице элек­ трических контактов. Однако пути устранения этого недостатка достаточно очевидны — использование механических соединений об­ жатием волокна электрическим проводником и применение различ­ ных отверждающих проводящих клеевых соединений.

Отдельную группу тактильных датчиков составляют датчики проскальзывания предмета в захвате. Необходимость в этих датчиках возникла в связи с применением роботов для манипулирования хрупкими объектами или предметами с легко повреждаемой поверх-

53

Рис. 2.27. Датчики проскальзывания:

а — кристаллический; 1 — кристалл рошелевой соли; 2 — резиновый демпфер; 3 — выход датчика; 4 — сапфировая игла; 5 — металлическая мембрана; 6' — корпус; б — электромаг­ нитный; 1 — масляный демпфер; 2 — катушка индуктивности; 3 — магнит; 4 — выход дат­ чика; 5 — стальной шарик; 6 — резиновый демпфер; 7 — подвижный магнитопровоД; в — магнитный; 1 — палец захвата; 2 — резиновый ролик; 3 — магнит; 4 — магнитная головка

ностью. Информация о проскальзывании необходима для управления силой сжатия захвата и поддержания ее на таком минимальном уровне, при котором объект еще надежно зажат и в то же время сила сжатия недостаточна для его разрушения. Установить такой мини­ мально допустимый уровень можно, используя датчики силы сжатия захвата, однако в этом случае необходимо априорно знать абсолют­ ное значение силы сжатия, которое требуется развить на захвате.

Известны три способа определения смещения объекта относительно губок захвата: измерение вибраций, возникающих при проскальзы­ вании; преобразование линейного перемещения объекта во враща­ тельное движение импульсного датчика угла поворота; определение градиента изменения давления между губками захвата.

Некоторые варианты конструктивных решений датчиков про­ скальзывания, в которых реализуются первые два способа преобра­ зования, показаны на рис. 2.27.

Измерение проскальзывания с помощью фотоэлектрического импульсного датчика углового положения также находит примене­ ние в реальных тактильных датчиках, однако матрицы тактильных датчиков являются наиболее универсальной конструктивной формой для очувствления внутренних поверхностей губок захвата манипу­ лятора, причем в ряде случаев вполне достаточным оказывается при­ менение релейных матриц датчиков касания.

Наиболее перспективны датчики, в которых совмещаются раз­ личные виды очувствления: локации, касания, проскальзывания и т. п. — в единой конструкции.

Необходимость создания таких устройств обусловлена рядом факторов:

отсутствием места на захвате адаптивного робота для размещения нескольких тактильных датчиков, реализующих только одну функ­ цию;

54

Гла ва ЛОКАЦИОННЫЕ ДАТЧИКИ

^АДАПТИВНЫХ РОБОТОВ

3.1. Классификация локационных датчиков

Система очувствления промышленного робота методами локации, являющаяся одной из сенсорных систем восприятия ин­ формации о свойствах и состоянии объектов манипулирования и внешней среды, позволяет обеспечить целенаправленные движения робота.

Посредством датчиков локации обеспечивается измерение таких параметров, как расстояние до объектов, скорость движения, их размеры, обнаружение препятствий, а также исследование механи­ ческих, электрофизических, акустических и других параметров объектов. В качестве дополнительных параметров измерения могут выступать зазоры, перекосы, проскальзывание, наличие внутренних дефектов, толщина материала или покрытия, твердость, напряжения, площадь, ориентация относительно реперной точки или осей и мно­ гие другие.

Измерительная информация локационных систем получается и преобразуется на основе ряда физических методов преобразования: акустических, магнитных, оптических, радиационных, радиоволновых, тепловых, электрйческих, электромагнитных, пневматиче­ ских (рис. 3.1).

На базе этих методов для локационных систем очувствления проводят разработку и усовершенствование многих типов преобра­ зователей, в том числе вихретоковых, пьезоэлектрических, полу­ проводниковых, электронно-оптических твердотельных матриц, струйных, волоконно-оптических, феррозондовых, индукционных, стереоскопических дальномерных, угломерных, датчиков близости

ит. п.

Вперспективе на промышленных роботах будет применяться комплекс датчиков различного принципа действия, в которых ши­ роко используется весь спектр электромагнитного излучения, уль­ тразвук, тензометрия, фотоэлектрические и другие методы получения

ипреобразования информации.

Вобщем случае под термином «локационный датчик» подразуме­ вают устройство, состоящее из первичного преобразователя, из­ меряющего путем излучения и приема сигналов некоторые физи­ ческие параметры объектов среды, усилителя, аналого-цифрового преобразователя, индикатора, а также в случае необходимости — микропроцессора, цифроаналогового преобразователя и специали-

56