Файл: Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы..pdf

А-А

Рис. 2.17. Трехкомпонентный электромагнитный датчик сил и моментов

Рис. 2.18. Зависимость перемещения от нагрузки

При реализации таких устройств в качестве датчиков положения предлагается использовать потенциометры, дифференциальные транс­ форматоры, дискретные светочувствительные матрицы, магнитные и вихретоковые преобразователи и аналоговые светочувствительные детекторы.

Простой трехкомпонентный электромагнитный датчик сил и моментов показан на рис. 2.17. Силовое воздействие на датчик преобразуется в перемещения четырех дифференциальных транс­ форматоров с помощью сильфона, являющегося одновременно упру­ гим элементом и корпусом датчика. Проекции вектора сил и момен­

Графики зависимости угловых и линейных перемещений силомоментного датчика от действующей силы (рис. 2.18, а) и момента (рис. 2.18, б) имеют линейный характер.

Основное преимущество использования дифференциальных транс­ форматорных датчиков заключается в простоте гальванической развязки питающей и сигнальной обмоток. Кроме того, они обеспе­ чивают достаточный выходной сигнал без применения усилителей.

Недостатком силомоментного датчика с дифференциальными трансформаторами является высокий уровень перекрестного взаимо­ влияния между каналами измерения компонент, достигающий 15 %, за счет естественного разброса параметров трансформаторных датчиков. Однако в ряде практических случаев, например, при абразивной зачистке деталей с помощью манипулятора, где не

4 7

требуется высокая степень разделения действующих компонент вектора сил и моментов, такие датчики могут быть с успехом исполь­ зованы.

2.3. Датчики тактильного очувствления

Тактильные датчики, имитирующие осязательную способность руки человека, были одними из первых средств очувствления робо­ тов в связи с их простотой и доступностью.

Круг задач, решаемых с помощью тактильных систем очувствле­ ния, может быть охарактеризован следующими операциями: обна­ ружение контакта с объектом; определение координат и площади контактного пятна; измерение силы сжатия захвата, регистрация распределения силового воздействия по площади пальцев; определе­ ние ориентации объекта, зажатого в захвате; обнаружение направле­ ния проскальзывания и измерение смещения предмета; определение механических свойств предметов по степени их деформации; распозна­ вание объектов из заданного класса по их тактильному образу.

Следует отметить, что применение тактильных датчиков особенно актуально для дистанционных промышленных роботов, где они используются как дополнительные сенсорные системы, помогающие человеку-оператору выполнить поставленную манипуляционную за­ дачу при отказе основного визуального канала получения инфор­ мации или плохой видимости объекта работ.

По характеру измеряемых параметров взаимодействия захвата с объектом манипулирования тактильные датчики можно разделить на три группы: датчики касания, датчики контактного давления и датчики проскальзывания.

Датчики касания и давления предназначены для измерения одной и той же физической величины — действующей силы. Раз­ личие заключается в том, что первые из них имеют порог срабаты­ вания и являются по существу релейными датчиками сил, настроен­ ными на заданное значение измеряемого параметра. Датчики каса­ ния и давления могут быть выполнены в виде отдельных элементов или в виде матрицы с высокой плотностью размещения элементов. Отдельные датчики обычно размещаются на внешних поверхностях захвата. Силовводящие элементы этих датчиков имеют форму пла­ стин и покрывают всю внешнюю поверхность пальцев и некоторые другие выступающие поверхности захвата.

Матрицы датчиков давления и датчиков касания устанавливают на внутренней поверхности пальцев захвата. Регистрация прикосно­ вения или измерение давления в местах контакта пальцев захвата с поверхностью объекта обеспечивает возможность его опознавания, определения ориентации относительно захвата, силы сжатия захвата и фиксации проскальзывания объекта относительно пальцев. В по­ следнем случае используют также специальные датчики проскаль­ зывания.

4 а

ющими на пути движения захвата. Поэтому к ним, кроме обычных, предъявляется целый ряд специальных требований: тактильные датчики должны иметь высокую надежность, прочность, износо­ стойкость, пыле- и влагозащищенность, обеспечивать высокую стой­ кость к механическим и температурным перегрузкам и др. Выполне­ ние этих требований в значительной степени зависит от выбора типа чувствительного элемента, в качестве которых, кроме пере­ численных выше тензорезисторных, пьезоэлектрических, электро­ магнитных, емкостных и магнитоупругих преобразователей, могут применяться различные микровыключатели, струйные пневматиче­ ские элементы, электропроводящие полимеры и углеродные волокна.

Наличие упругого элемента, сложная технология изготовления и высокая стоимость являются основными причинами, по которым тензорезисториые чувствительные элементы не нашли широкого применения при создании тактильных датчиков.

Пьезоэлектрические преобразователи, предназначенные для из­ мерения квазистатических сил, находят применение пока только при конструировании датчиков проскальзывания. Основные труд­ ности их использования в тактильных датчиках связаны с необ­ ходимостью усиления сигнала, пропорционального заряду, что при большом числе датчиков давления, размещаемых на захвате, трудно осуществимо в реальном масштабе времени. Перспективным является конструирование тактильных датчиков и матриц на основе пьезо керамических трансформаторов.

Электромагнитные, емкостные и магнитоупругие преобразова­ тели достаточно редко применяют для тактильного очувствления захвата промышленных роботов. Однако они могут оказаться не­ обходимыми для роботов, функционирующих в экстремальных сре­ дах, в особенности для подводных и космических роботов, а также для манипуляторов, обслуживающих атомные и ядерные энергети­ ческие установки.

Тактильные датчики на основе микропереключателей и других контактных устройств, имеющих заданный порог срабатывания, отличаются простотой конструкции, простотой схем детектирова­ ния и обработки сигнала, а также низкой стоимостью. Недостатком таких датчиков является необходимость периодической проверки работоспособности контактов, в особенности при коммутировании значительных токов, и сравнительно низкий ресурс работы.

Для примера на рис. 2.19 приведена схема тактильного датчика касания для очувствления захвата подводного манипулятора. Корпус датчика, состоящий из мембраны 3 и усов 2 , выполнен из эластичного материала — вулканизированной резины. Деформация любого из усов при касании препятствия передается мембране. Постоянный магнит /, закрепленный на ее внутренней стороне, перемещается и вызывает срабатывание геркона 4. Благодаря эластичности усов перемещение захвата в направлении сработавшего датчика на участке торможения манипулятора не вызывает смещения или повреждения

4 9

Рис. 2.19. Датчик касания

Рис. 2.20. Матрица датчиков касания:

1 — стальная пластина; 2 — упругое покрытие; 3 — электрический контакт; 4 — диэлектри­ ческая подложка

объекта. Порог срабатывания датчика составляет 0,15- 0,20 Н. Другим примером применения контактных чувствительных эле­ ментов является матрица тактильных датчиков касания, установ­ ленных с высокой плотностью с межцентровым расстоянием 2 ,5 мм. Полусферические мембраны в тонкой стальной пластине (рис. 2.20) образуют матрицу с шагом приблизительно 2,5 мм. Каждая сфери­ ческая мембрана имеет два устойчивых положения — выгнутое и вогнутое. При отсутствии контакта с объектом давление воздуха, подаваемое в пальцы манипулятора, держит мембраны в первом устойчивом положении. Когда пальцы касаются объекта, сфериче­ ские мембраны деформируются и переходят во второе устойчивое положение, замыкая контакт. Порог срабатывания одной мембраны

не превышает .0,5 Н.

Необходимость получения высокой разрешающей способности датчиков тактильного очувствления по полю при одновременом удовлетворении указанных выше требований обусловила примене­ ние новых материалов для чувствительных элементов, ранее не используемых в робототехнике. Первоначальные эксперименты про­ водились с использованием порошкообразного графита в различных матричных формах. Однако для практических целей порошкообраз­ ный графит не пригоден, так как поглощение влаги и газов этим материалом может значительно изменить резистивные характери­ стики элемента, приводя в наихудшем случае к слипанию порошка.

Поиск более надежных материалов привел к появлению тактиль­ ных датчиков давления на основе эластомеров и композиционных материалов с волокном из графита. Конструкция датчика из прово­ дящего электрический ток силиконового каучука предельно проста. Два электрода размещают таким образом, что под действием давле­ ния, прикладываемого к собранному из них датчику, электроды прижимаются друг к другу. Один из электродов (или оба) изготов­ ляются из электропроводящего силиконового каучука. Одновременно одному проводнику (или обоим) придается выпуклая форма (рис. 2.21). Когда датчик находится в ненапряженном состоянии, площадь контактного пятна электродов минимальная, а контактное сопротивление оказывается достаточно большим. Под влиянием внешнего давления каучук деформируется, что вызывает резкое

5 0

Рис. 2.21. Тактильный датчик нз эластомера:

1 — металлический электрод; 2 - шнур нз силиконового проводящего каучука Рис. 2.22. Выходные характеристики эластомерного тактильного датчика

понижение сопротивления контакта. График типичной зависимости выходного сигнала (У,.ыХ датчика от действующей силы показан на рис. 2.22. Нетрудно видеть, что выходное напряжение имеет характеристику, близкую к экспоненциальной, которая, как пра­ вило, и является желаемой характеристикой.

Конструкция тактильной матрицы размерностью 4x4, в которой

которой вытравлено шестнадцать пар концентрических проводни­ ков. Каждая пара вместе с находящимся над ней участком проводя­ щего силиконового каучука составляет тактильный элемент.

Внешние кольца / соединены по четыре и образуют четыре столбца матрицы. Центральные проводники тактильных датчиков с помощью диодов 3 соединены в четыре строки 2. Эластомер прикрепляется к плате с помощью пластиковой пленки 5 , которая предохраняет его от воздействия внешней среды.

Эластомер электрически эквивалентен переменному резистору, который соединен последовательно с внешним постоянным резисто­ ром. Тактильные элементы образуют делитель напряжения, выход­ ной сигнал которого изменяется в зависимости от деформации эла­ стомера.

По своей природе материал эластомера представляет собой сили­ коновый каучук, смешанный с различными металлами или их соеди­ нениями, например с медью. На рис. 2.24 показана зависимость удельного сопротивления р образцов эластомеров двух типов от внешнего давления Р. Материал типа 1 более пригоден для создания тактильных датчиков релейного действия, так как для него харак­ терно быстрое уменьшение удельного сопротивления при увеличении давления от нуля до 30 кПа (кривая /). Дальнейший рост давления приводит к незначительному изменению удельного сопротивления, и оно остается постоянным на уровне около 10 кОм-м. Эластомер типа 2 имеет практически экспоненциальную зависимость сопротив­ ления от давления (кривая 2 ).

51