Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf
ВУЗ: Не указан
Категория: Не указан
Дисциплина: Не указана
Добавлен: 29.02.2024
Просмотров: 222
Скачиваний: 0
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
а) |
5) |
в) |
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
целесообразностью сокращения номенклатуры датчиков, уста навливаемых на роботе;
упрощением алгоритма управления движением захвата (как результат).
Примером может служить многофункциональный тактильный датчик с подвижным элементом в виде ролика, в котором исполь зуется единый электромагнитный чувствительный элемент. Датчик обеспечивает формирование сигналов о приближении захвата к объ екту, касании с ним и б проскальзывании объекта в захвате. Он от личается безынерционностью, работоспособностью в условиях за грязненности и агрессивных сред; возможностью использования длинных кабельных линий передачи от датчика к вторичному пре образователю; высокой механической прочностью чувствительного элемента и простотой конструкции.
Для формирования сигналов о приближении и касании объекта используется вихретоковый преобразователь накладного типа, ра ботающий в диапазоне от 0 до 5 мм. В случае проскальзывания объекта манипулирования относительно захвата происходит пово рот ролика рассматриваемого датчика, который регистрируется с помощью эксцентрика и второго накладного вихретокового пре образователя. Максимальный поворот ролика, а следовательно, и эксцентрика составляет 180°. Максимальное смещение проскаль зывающего объекта, фиксируемое датчиком, 25 мм, габаритные размеры 40x30x20 мм при допустимой погрешности измерения за зора ± 5 % и частоте генератора вихретоковых преобразователей 1 МГц.
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