cap 4-Traductoare, senzori

8/8/2019 cap 4-Traductoare, senzori

1/32

Capitolul 4

TRADUCTOARE

SENZORI

I

SISTEME

SENZORIALE

Robotul, prin specificul su, este un sistem complex ce execut un numrnsemnat de aciuni impuse ntr-un mediu de lucru caracterizat printr-o diversitatelarg de parametrii definii prin legi mai mult sau mai puin cunoscute. Altfel spus,un robot trebuie s execute un numr mare de micri n concordan cu sarciniletehnologice impuse n diverse condiii determinate de specificu l mediului su deoperare i s-i modifice corespunztor caracteristicile fncionale odat cumodificrile survenite n factorii interni sau externi n spaiul crora activeaz.Deci, un sistem robotic trebuie s fie autoadaptiv, s posede capacitatea de a-imodifica legile de micare n concordan cu modificrile mediului.

Realizarea acestui deziderat impune introducerea n orice sistem deconducere a roboilor a unor dispozitive speciale, senzori, care s asigureinformaiile primare privind caracteristicile i parametrii mediului de operare.Ansamblul acestor dispozitive i echipamente, ce ofer robotului o imagine a lumiiexterne n care evolueaza i care permite acestuia s realizeze o comportareadaptiv fa de orice modificri interne sau externe, formeaz sistemul senzorial alrobotului.

Complexitatea oricrui echipament senzorial este direct legat de funciatehnologic ce trebuie executat. Pentru un robot destinat unor operaii de vopsire,o micare corect va fi realizat numai prin simpla msurare a parametrtilortraiectoriei cu senzori sau traductori de deplasare, n timp ce unui robot utilizat noperaii de asamblare i vor fi necesari, n plus, senzori tactili sau sisteme de vedere


2/32

Roboi industriali90

artificial. Se poate remarca de asemenea faptul c, n primul caz, sistemulsenzorial ofer informaii ce reprezint parametrii intrinseci ai robotului (deplasare,vitez, acceleraie) n timp ce n al doilea caz acesta definete caracteristicileobiectelor din imediata vecintate a spaiului de operare. Apare, deci, o primclasificare important a acestor sisteme, siseme pentru identificarea perametrilorinterni i respectivi externi ai robotului.

Capitolul de fa va studia detaliat aceste dou clase mari de sistemesenzoriale punnd accentul att pe analiza senzorilor utilizai n diferiteechipamente ct i pe dispozitivele de prelucrare primar a informaiei rezultate i aalgoritmilor specifici ce permit interpretarea ei.

4.1. Senzori pentru msurarea parametrilor interni

Orice funcie tehnlogic impus unui robot cere executarea unei micridup o traiectorie dat. Obinerea acestei traiectorii necesit, la rndul ei,cunoaterea n orice moment a poziiei, vitezei i uneori a acceleraiei elementelorsistemului mecanic. Aceste date reprezint informaia cii de reacie a sistemuluide conducere i asigur corectitudinea realizrii traiectoriei programate.

Informaiile privind poziia, viteza i acceleraia sunt obinute prin sistemede msurare specifice, desemnate n mod curent sub denumirea de traductoare de

poziie, vitez i respectiv acceleraie. Aceste sisteme nu reprezint o caracteristicproprie roboilor astfel nct metodele de msurare ca i dispozitivele respectivesunt aceleai ca cele utilizate n comenzile numerice ale mainilor unelte. Din acest

motiv, ele vor fi denumite n continuare ca traductoare de msur.

4.1.1. Msurarea poziiei

Aceste traductoare convertesc o deplasare a elementelor mobile ntr-unsemnal electric compatibil cu prelucrri numerice ulterioare. n cele ce urmeaz vorfi trecute n revist principalele traductoare de deplasare utilizate precum icaracteristicile lor de baz.

a) Traductoare analogice. Msurarea analogic a poziiei este cel mai simplusistem de msurare. n figura 4.1 sunt reprezentate dou sisteme, unul pentrrudeplasri liniare iar cellalt pentru deplasri unghiulare.

Conectarea cursorului poteniometrului la elementul mobil permite

msurarea unei tensiuni,

kxuR

Ru xx !! 1 (4.1)


3/32

Capitolul 4. Traductoare, senzori i sisteme senzoriale 91

Figura 4.1

n mod similar, pentru deplasri unghiulare rezult,

EE ku (4.2)

n general, msurarea liniar rezistiv nu este indicat. Msurarea unghiulareste utilizat datorit simplitii soluiei i preului de cost foarte mic. Cu toateacestea, trebuie subliniat faptul c aceste sisteme dau erori mari iar rezoluiamsurrii este sczut.

b) Traductoarele numerice. Traductoarele din aceast categorie convertescmrimea msurat, deplasarea, ntr-un numr N corespunztor numrului de cuantede deplasare echivalent cu distana parcurs. Dup modul n care este redat acestmumr N se disting dou tipuri de traductoare: incrementale la care ultima poziieatins este obinut din poziia precedent prin cumularea cu numrul de cuantecorespunztoare deplasrii i absolute n care numrul de cuante este codificat ntr-un cod adecvat.

Traductoare incrementale liniare. Principiul de funcionare al acestortraductoare se bazeaz pe mprirea domeniului de msurare ntr-un numr decuante elementare i contorizarea acestora simultan cu deplasarea elementuluimobil. Elementul de baz la aceste sisteme este rigla de msur (fig. 4.2.).Construcia riglei de msur depinde de principiul utilizat. Sunt folosite frecventdou sisteme: inductosinul liniar sau rigla optic.

Inductosinul liniar este de fapt transpunerea n plan a unui selsin multipolarla care rotorul este o rigl a crei lungime trebuie s acopere domeniul de msurare[61] iar statorul este un cursor ce se deplaseaz deasupra riglei. Rigla are o singur

x xu

1u

1u

Eu

1E

a b


4/32

Roboi industriali92

nfurare iar cursorul dou nfurri, ambele realizate cu acelai pas dar

decalate cu 2

12p

k .

Figura 4.2

Cele dou nfurri ale statorului sunt alimentate cu tensiuni de forma:tUu [sin1 !

tUu [cos2 !

la ieire, pe nfurarea riglei fiind obinut tensiunea

!p

xtUu

T[sin'

unde x este poziia relativ ntre rigl i cursor n cadrul unui pas. Deci, cota totalse calculeaz cu o relaie de forma,

xNpX ! 2

u

Rigl

Cursor

2u p

1u

x

27p

p


5/32


Figura 4.3

Msurearea poziiei va fi realizat n dou etape, o contorizare a semipailor p/2 urmat de o msurare a fazei semnalului n cadrul unui pas. Considernd orealizare tehnologic cu pasul p al riglei de ordinul mm, msurarea fazei determinobinerea unei precizii pn la ordinul micronilor. Aceste sisteme de msur au, deasemenea, avantajul unei deosebite robustei tehnologice.

Msurarea liniar cu rigle optice se bazeaz pe marcarea pailor de msurcu zone opace i transparente pe suport (rigl) corespunztor. Un sistem opticadecvat permite captarea unui semnal electric la fiecare pas parcurs de elementulmobil. Detecia primar este realizat de un sistem de fotocelule dispuse du p oanumit lege n jurul unei axe de citire.

n figura 4.3

este prezentat un sistem cu patru fotocelule cu un decalaj egalcu

4

p, una n raport cu cealalt. Se obine astfel o multiplicare a numrului

impulsurile realizate la fiecare pas, deci o precizie de patru ori mai ridicat. Maimult, innd cont de ordinea de formare n timp a semnalelor a dou fotocelulevecine se poate construi un circuit care identific sensul de deplasare alelementului. n acelai timp, compararea semnalelor provenite de la fotocelule

permite eliminarea zgomotelor parazite determinate fie de perturbaii externe denatur electrc, fie datorate vibraiilor mecanice ale sistemului [17,61]. Dei ngeneral creterea numrului de fotocelule ofer avantaje privind n special preciziamsurrii, aceasta determin n acelai timp, o mrire substanial a complexitiiechipamentului optic astfel nct se prefer sisteme cu dou sau patru fotocelule.

Pentru interpretarea distanei msurate, semnalele furnizate sunt contorizatecel mult ntr-un circuit ce constituie interfaa pentru echipamentul de conducerenumeric. Un astfel de sistem este prezentat n figura 4.4. Elementul principal este

p

1F

2F3F

4F

4/p

4/p

Rigl

ba

2F

3F

4F

1F

t

t

t

t


6/32

Roboi industriali94

un numrtor ce acumuleaz impulsurile, dup o prelucrare prealabil a acestorantr-un amplificator de putere i un circuit formator.

Figura 4.4

Valoarea msurat este stocat ntr-o memorie tampon dup care este captatntr-un procesor numeric ce controleaz ntregul proces. Trebuie subliniatsimplitatea sistemului de prelucrare numeric, caracteristic ce face ca ntotdeaunamsurarea incremental s fie preferabil altor proceduri, n general mai precise darmult mai complexe.

Traductoare incrementale unghiulare.Elementul sensibil la aceste traductoare l constituie un disc cuantificat,

fiecare increment unghiular msurabil determinnd rezoluia sistemului. Ca i n

cazul msurrii liniare i aici se utilizeaz dou tipuri mai importante de sisteme:cu inductosin i cu disc optic.

CF

Control

.

.

.

.

.

.

A

C

MUX MT

PROCESOR


7/32


Figura 4.5

Discul optic este un disc de sticl pe care se imprim cu acelai pasunghiular zone opace (figura 4.5). Captarea semnalelor se obine cu un numr desenzori fotoelectrici dispui convenabil. Cea mai utilizat procedur de msurare

conine doi senzori decalai cu 2

12(*

k pentru generarea impulsurilor de

numrare i asigurarea proteciei la citire i un senzor ce emite un singur semnal, lafiecare rotaie a discului, utilizat pentru iniializarea ciclului de numrare. Circuitul

de prelucrare numeric are aceeai structur ca i cel utilizat la msurarea liniar(figura 4.4), fotocelula3

F servind n plus la contorizarea ciclurilor de rotaie

complete.n unele sisteme de msurare, discul optic este nlocuit cu discuri cu contact.

Pe un astfel de disc este dispus o coroan circular nmprit n zone conductoarei izolate. Zonele conductoare sunt legate electric printr-o perie fix la un inelcolector care servete ca punct de alimentare electric. O perie colectoareexploreaz coroana circular la fiecare rotaie a discului, la trecerea peste zoneleconductoare obinndu-se semnnale electrice. Cu toate c implic o tehnologierelativ simpl, sistemul este puin utilizat datorit uzurii produse n timp, la zonelede contact, de periile aflate n miscare.

Traductoare absolute liniare.

Traductoarele din aceast categorie sunt construite pe sistem optic i au caelement de baz o rigl de msurare a crei valori cuantificate sunt exprimate ntr-un cod absolut. Codificarea se face n cod binar natural, binar codificat zecimal sauGray. Primele dou coduri sunt familiare utilizatorilor i ofer faciliti n

1F2F

3F

N(

t2F

1F

a b

t


8/32

Roboi industriali96

prelucrarea numeric a mrimilor msurate n schimb pot determina apariia unorerori la trecerea de pe o poziie pe alta datorit schimbrii simultane a mai multorranguri binare.

Codul Gray elimin acest neajuns dar implic circuite numerice specializatepentru calculele ulterioare.

Figura 4.6

n figura 4.6 este prezentat o rigl absolut codificat n cod binar natural cupatru piste

3210 ,,, PPPP , fiecare pist fiind asociat unui rang binar. Pista 0P are

cea mai fin marcare i definete rezoluia sistemului de msurare. Fiecrei piste ise atribuie un senzor de citire, o fotocelul, semnalul furnizat de acesta

reprezentnd coeficientul binar al rangului respectiv.De exemplu, n 4.6, a, cota X msurat este echivalent cu,

0P

1P

2P

3P

0F

1F

2F

3F

P

2

PX!

ax citire

0P

1P

2P

3P

0P

1P

2P

3P

0F

12F

22F

32F

11F

21F

31F

2/p 2/p ax 1citire

ax 2citire

ax 1citire

ax 2citire

0F

11F

21F

31F

12F

22F

32F 2/21p

2/22 p

2/p 2/p

2/21p

2/22 p

a

b

c


9/32


2

pNX!

unde:

5212021202222 012300

11

22

3

3!!! FFFFN

Figura 4.7

Ansamblul locaiilor senzorilor de pe flecare pist determin o ax decitire. Pentru realizarea unei bune citiri a codului riglei se impune o

poziionare corect i riguros centric a axei de citire n cadrul fiecruiincrement de deplasare. Sistemul discutat se refer la msurarea poziiei prin

intermediul unei singure axe de citire. Anumite faciliti de citire i n specialeliminarea unor erori datorit poziionrii incorecte a axei de citire suntobinute prin utilizarea a dou axe de citire. n mod curent sunt utilizate doumetode: metoda dublei testri i citirea n V.

3P 2P 1P 0P

0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 00 0 0 1

3P 2P 1P 0P

0 0 0 00 0 0 10 0 1 00 0 1 10 1 0 00 1 0 10 1 1 0

zon optimcitire

zon optimcitire

zone optimepentru citire

a b

3P 2P 1P 0Paxa 1

citire

axa 2citire

31F

21F

11F

0F

12F

22F

32F

c


10/32

Roboi industriali98

Cele dou metode sunt reprezentate n figurile 4.6 a,b i c. n metoda

dublei testri cele dou axe sunt paralele i situate la distana2

2p

. Citirea este

realizat dup urmtorul algoritm: dac fotocelula0

F citete bit 0 pe pista

0P , atunci pentru citirea pistelor urmtoare sunt selectate numai fotocelu lel e

axei 2, iar dac pe pista0

P se citete bit 1 atunci pistele321 ,, PPP sunt

citite prin fotocelulele axei 1.Justificarea procedurii poate fi obinut din figura 4.7,a. n funcie de bitul

citit pe rangul0

P se pot identifica dou zone optime de citire, n cadrul fiecrei

zone biii tuturor rangurilor avnd aceeai valoare. Cele dou zone sunt axate la o

distan egal cu 2/p fa de fotocelula 0F i sunt distribuite n sensul

creterii valorii binare, dac0

F citete 0 i n sensul descreterii valorii binare,

dac0

F citete 1.

Citirea n V extinde aceste observaii prin analiza mai amnunit azonelor optime asociate fiecrui rang binar. Se poate observa c n codurile

binare naturale, pentru flecare bit 0 citit pe rangul i exist 12 i bii identici perangul 1i distribuii ponderat n sensul creterii valorii binare, iar pentru

flecare bit 1 citit pe rangul i exist 12 i bii identici cu pondere n sensuldescreterii valorii binare. n figura 4.7,b este justificat aceast observaie

pentru o poziie arbitrar a dispozitivului de citire. Citirea bitului 1 pe0

P

determin existena a doi bii identici 1 pe pista 1P distribuii n sensul

descreterii valorii binare iar acetia determin pe 2P ali patru bii identici, bii

0, n acelai sens, pe pista urmtoare3

P existnd 16 bii 0 identici ponderat

distribuii n sensul creterii valorii binare.


11/32


a bFigura 4.8

Din aceast analiz se poate obine regula de citire: dac pe o pist,fotocelula activ citete bit 0, pe rangul urmtor este selectat fotocelula axei 2, iardac se citete bit 1, pe rangul urmtor este selectat fotocelula axei 1. Procedura

poate fi urmrit pe exemplul din figura 4.7,c.Traductoare absolute unghiulare.Aceste traductoare sunt realizate dup acelai principiu ca i traductoarele

liniare, numrul de cuante unghiulare [17,61] corespunztoare unei anumite poziii,unghi, fiind codificat dup unul din codurile precizate anterior.

NN (!N

unde N, n cele (m+1) ranguri ale unui cod binar natural, are forma

0

0

11

11 22...22 FFFFN

m

m

m

m !

n figura 4.8 sunt prezentate dou discuri, unul codificat natural, iar cellaltn cod Gray.

Fiecare pist circular este citit de cte o fotocelul dup aceleai procedurica i n traductoarele liniare. Trebuie subliniat fatul c ntruct ponderea

articulaiilor de rotaie este mai mare dect al celor de translaie [62] n roboiiindustriali, aceste sisteme de msurare au o foarte larg utilizare.

11

12

01

2

3

4

5

6

78

9

10

13

1415

11

12

01

2

3

4

5

6

789

10

13

1415

11

12

01

2

3

4

5

6

78

9

10

13

1415

11

12

01

2

3

4

5

6

789

10

13

1415


12/32

Roboi industriali100

4.1.2. Msurarea vitezei

Cunoaterea vitezei elementelor mobile ale unui robot este un factor extremde important n realizarea unei legi de conducere corespunztoare. Dup cum se vavedea n capitolul urmtor, reglajul dup vitez este o parte integrant din sistemulgeneral de reglare al robotului.

Figura 4.9

Msurarea vitezei este obinut plecnd de la premiza c aceast mrimereprezint variaii de distan, msurat la intervale egale de timp. Deci, msurareavitezei se obine din msurarea poziiei.

n mod curent, se utilizeaz dou procedee de calcul a vitezei, ambelederivnd din msurarea incremental a poziiei: se msoar numrul de impulsurice reprezint cuantele de deplasare parcurse ntrt-un interval de timp dat, sau se

poate msura timpul necesar pentru obinerea unui impls de poziie (increment).Cele dou metode sunt reprezentate n figurile 4.9a si b. n prima procedur,

un generator de tact GT emite semnale periodice de durat T. Viteza este apreciatprin numrul de impulsuri emise de fotocelula de poziie n intervalul respectiv.

Metoda are dezavantajul solicitrii unui timp T suficient de mare pentrruacumularea nui numr de impulsuri corespunztor unei precizii dorite ceea ceconstituie un inconvenient n msurarea vitezelor mici.

T T

GT

iF

1N 1N

iF

GT

2N

T

t

t

t

t

Ft


13/32


A doua metod (expus n figura 4.9 b) calculeaz numrul de impulsurifurnizate de generatorul de tact, de perioad T, cuprinse pe durata unui semnal alfotoceelulei iF . Soluia aceasta reprezint o metod mult mai precis implicnd

ns dezavantajul unei depiri a sistemului de numrare n cazul sistemelor lentesau dac, de exemplu, elementul msurat este imobil.

Figura 4.10

n figura 4.10 este prezentat un circuit pentru msurarea vitezei princontorizarea numrului de impulsuri ale generatorului de referin n intervalulunui impuls emis de fotocelula sistemului incremental al poziiei.

Componenta de baz a acestui circuit este un numrtor N ce acumuleazimpulsurile furnizate de generatorul de tact prin borna C. Funcia de numrare este

permis numai dac semnalul fotocelulei iF amplificat i sincronizat ntr-un circuit

de sincronizare CS valideaz aceast funcie la borna CLR. Dup ncheiereaoperaiei de numrare (la sfritul intervalului Ft , fig. 4.9.b) numrtorul N se

blocheaz iar coninutul su este transferat ntrtun registru tampun R i trecutulterior n procesul de control. Un circuit de ntrziere X i pori logicesuplimentare asigur decalarea n timp necesar acestor funciuni i logica detransfer. n cazul n care micarea este foarte lent (sau elementul este imobil),impulsurile acumulate n numrtor depesc coninutul acestuia, un bit de depireeste generat i activeaz circuitul de control CC. Acesta determin o funcie de

A+

-

iF

refV

CS

X

R

CLR

N

CL PROCESOR

CCbitdepire

T

GT


14/32


ncrcare paralel (activarea bornei L) a unei configuraii de intrare particulare, deexemplu vectorul 111...1. Captarea acestui cuvnt de ctre procesor va constitui oindicaie asupra acestei stri particulare a elementului msurat.

4.2. Senzori pentru msurarea parametrilor externi

Realizarea unei strategii corecte de conducere, n condiiile n care robotulintr n contact nemijlocit cu obiecte externe, impune existena unui sistemsenzorial dezvoltat care sa identifice:

1. Prezena obiectului la contactul nemijlocit cu robotul (detecia robotului);2. Punctele de contact cu obiectul (localizarea obiectului);3

. Caracteristicile punctelor de contact, evaluarea forelor i momentelor ceiau natere n punctele de contact.Contactele realizate ntre elementul terminal al robotului i obiect pot fi

clasificate n urmtoarele categorii:a) contacte ntr-un punct (sau un numr mic de puncte) care permit

aprecierea poziiei n raport cu obiectul, fora de apsare n punctul respectiv etc, icare pot asigura o micare dorit n imediata vecintate a obiectului;

b) contacte realizate simultan ntr-un numr mare de puncte, un cmp depuncte, informaia obinut fiind suficient pentru identificarea formei obiectului.

innd cont de tipul informaiei obinut prin contact, senzorii pot fi mpriin:

1) senzorii tactili care redau informaii privind, n general, proprietile

geometrice ale corpurilor;2) senzori for - moment numii i senzori de stres care determin cantitativforele sau momentele exercitate n zonele de contact.

n continuare, vor fi analizate detaliat principalele tipuri de sistemesenzoriale utilizate insistndu-se att asupra caracteristicilor principale i

performanelor realizate ct i asupra tehnologiei lor de fabricaie.

4.2.1. Senzori tactili

Sistemele tactile ofer robotului posibilitatea de a palpa, a "pipi" obiectele.n principiu, aceti senzori convertesc deformarea produs asupra suprafeei sau

punctului de contact ntr-un semnal electric.

n figura 4.11 este prezentat un astfel de senzor. Elementul principal lconstitue un palpator P aflat iniial ntr-o poziie de echilibru meninut printr-unsistem de resoarte. Contactul cu suprafaa unui obiect determin deplasarea

palpatorului i stabilirea unui contact electric cu bornele de culegere a semnalului


15/32


electric. Aceste dispozitive pot detecta apropierea (contactul) cu un obiect fie pe oanumit direcie impus (fig.4.11, a) fie dup o direcie arbitrar (fig. 4.11, b).

Figura 4.11

O clas aparte de senzori tactili faciliteaz operaiile de asamblare. O problem specific acestui gen de operaii o constituie axarea corect aelementului terminal n orificiul de montaj n scopul evitrii deteriorrii prinasamblare. Operaiile robotizate de asamblare se realizeaz n dou moduri:asamblarea prin contact pasiv (micare compliant pasiv) i asamblare activ(micare compliant activ) [17,39,62].

n primul tip de asamblare robotul nu detecteaz i nu msoar erorile deasamblare, elementul terminal al acestuia fiind suficient de elastic pentru a realiza,

prin deformare proprie, asamblarea. n figura 4.12 este prezentat aceastasamblare pasiv. n prima faz robotul se apropie de orificiul de montaj idatorit dezaxrii iniiale se produce deformarea terminalului, deformare care

permite n final introducerea corect n orificiu.

H

a b

+


16/32


Figura 4.12

Este evident c n acest caz nu este vorba de un sistem senzorial propriu-zis,dar acest sistem constitue punctul de plecare n dezvoltarea unui senzor specializat.Acest senzor se bazeaz pe msurarea deformrii n sistemul de resoarte alterminalului i corectarea poziiei terminalului robotului pn ce eroarea detectatde senzor se anuleaz, deci axele de montaj coincid. ntreaga procedur estedesemnat ca asamblare i este prezentat n figura 4.13. Se observ deformarea

produs prin fora F de contact cu obiectul. Aceast deformare este msurat,amplificat i determin rotirea terminalului, prin momentul M aplicat, pn cndsenzorul indic anularea deformrii. Deci, legea de micare impus robotului tindes anuleze efortul asupra senzorului sau, folosind o terminologie utilizat din ce nce mai mult, s elimine "stresul asupra minii". Privit din acest punct de vedere, unastfel de senzor poate fi considerat totodat i ca senzor de for.


17/32


Figura 4.13

4.2.2. Senzori tactili n reele matriceale

n sistemele analizate contactul robotului cu obiectul se realizeaz, ngeneral, ntr-un singur punct. Pentru obinerea unei "imagini" mai complete aobiectului se impune stabilirea unui contact ntr-o reea de puncte, dispuse ntr-omanier ordonat, care s permit o captare i o interpretare eficient a semnalelor

prelucrate. De fapt aceste reele matriceale de senzori tactili caut s imite celuleletactile ale minii omului att n ceea ce privete cantitatea de informaie captat cti modul de explorare a acesteia. Din acest motiv, anumite sisteme senzoriale deacest tip, realizate dup o anumit tehnologie, sunt desemnate ca "piele artificial".

Tehnologia de realizare a acestor sisteme este extrem de diversificat. Se

utilizeaz frecvent cauciuc conductor, cauciuc coninnd particule de carbon,cauciuc siliconic cu grafit, fibre de carbon, polimeri piezoelectrici etc.

Cerinele principale impuse acestor tipuri de senzori sunt: greutatea mic,dimensiuni reduse, constante de timp mici la deformare (revenire rapid), rezoluienalt etc.

n cele ce urmeaz, vor fi expuse detaliat principalele tipuri de reelesenzoriale tactile utilizate n aplicaii robotice.

1. Reele senzoriale electrooptice. Sistemul propus de Hill i Sword [63] idezvoltat n [139,64] se bazeaz pe construcia unei matrici senzoriale realizat dincelule activate prin dispozitive fotoelectrice. Structura unei celule este prezentat nfigura 4.14,a. Elementul sensibil este obinut prin blocarea sau deblocarea fluxuluiluminos emis de sursa S i captat de fotocelula F. Semnalul fotocelulei este

prelucrat ulterior i interpretat logic.O caracteristic deosebit a sistemului este robusteea acestuia, deplasarea

butonului B prin contactul cu un obiect nu antreneaz nici-un element ntr-omicare mecanic. Aceast proprietate a permis realizarea unei reele matriceale de

M

F


18/32


butoane montate direct pe terminalul robotului, griper. n general, sistemele deacest fel conin reele de 18 - 30 puncte care pot da i informaii asupra formeiobiectului, zonei contactate.

2. Reele senzoriale de tip rezistiv. Sistemele senzoriale din aceast categoriese bazeaz pe conversia deformrii mecanice ntr-o variaie a rezistenei electrice azonei limitrofe punctului de contact [39,65]. Configuraia de baz a unor astfel desisteme const din dou reele paralele de electrozi, dispuse ortogonal una n raportcu cealalt, ntre reele fiind plasat un material cu rezisten variabil la efort(figura 4.15,a)

Figura 4.14

Avantajul principal al acestor dispozitive rezid n simplitatea constructiv asoluiei tehnologice, electrozii crend ei nii reeaua. Numrul de puncte decontact depinde de densitatea de implementare a electrozilor dar n mod curent se

pot obine 256 - 1000 puncte. Citirea informaiei coninut n reea se realizeaz prin explorarea matricei de puncte pe linie i coloan ii YX , i determinarea

rezistenei punctului adresat (fig.4.15,b). Propriu-zis aceasta nseamn alimentareasuccesiv la un potenial impus a barelor orizontale (fig.4.16). Un comutatorelectronic iX , de frecven ridicat comut succesiv potenialul sursei SA pe

barele iX , la fiecare adres ADR X emis de procesor i stocat n registrul de

adres RA. Pentru o adresare fix pe barele iX , printr-un sistem de multiplexare

MUX, sunt captate pe rind ieirile liniilor verticale iY [prin ADR Y]. n general,

viteza de explorare a unei reele cu 256 elemente senzitive este de c irca 1 MHzceea ce d o rat de testare a fiecrui punct de 4 kHz, suficient pentru aplicaiilerobotice curente.

Materialul utilizat n configuraia reelei este realizat n diferite tehnologii:cauciuc ncrcat cu particule de carbon, materiale polimer specifice, elastomeri,

polimeri amestecai cu pudr ceramic etc.

B

S F

a b


19/32


Figura 4.15

3.Reele senzoriale cu fibre de carbon. Principiul de funcionare al acestorsisteme senzoriale este tot rezistiv, modificarea rezistenei unui material impregnatcu fibre de carbon reprezentnd elementul sensibil al reelei [166]. Avantajulutilizrii acestor materiale const n sensibilitatea foarte mare a senzorilor, absenazgomotului n reea, un histerezis neglijabil etc.

Reelele de acest tip sunt construite n dou variante: structur sandvici ireea cu adresare zonal. Prima variant este prezentat n figura 4.17,a. Materialulcu fibre de carbon este comprimat ntre o plac metalic (pe care se exercitapsarea) i o plac suport izolatoare. Pe aceast plac sunt dispuse ntr-o reea

matriceal zone circulare conductoare, ce servesc pentru captarea semnalului deieire. Placa metalic este conectat la un potenial electric astfel nct curentuldepinde de rezistena zonal a materialului, deci de efortul aplicat. n figura 4.17,beste prezentat caracteristica general a sistemului, dependena tens iunii ou

msurat pe ieire n funcie de presiunea, efortul exercitat.n figura 4.18 este prezentat al doilea sistem. Materialul din fibre de carbon

este segmentat pe zone, fiecare zon puind fi adresat printr-un decodificator deadres ce activeaz tranzistorul zonei. Circuitul emitorului fiecrui tranzistor senchide prin zona senzitiv specific, curentul rezultat putnd fi msurat cu unamplificator de ieire.

electrozi superiori

electroziinferiori

material cu rezisten

variabil la apsare

1x

2x

3x

1y 2y ...3y


20/32


Figura 4.16

Sistemul ofer avantajul unei observri precise a zonelor de contact folosindo tehnic simpl, compatibil cu o interfaare numeric ctre un procesorspecializat.

4. Reele senzoriale magnetorezistive.Tehnologia magnetorezistiv deimplementare a acestor senzori este preferabil n multe cazuri datoritsenzitivitii mari a acestor dispozitive, domeniului larg de fore aplicate,rspunsului liniar la efort, densitii de implementare mari etc [67,68].

Elementul sensibil este un material special de tip permalloy [Ni Fe] care imodific rezistena prin cmp magnetic. Structura unei celule este prezentat nfig.4.19,a. Elementul permalloy este montat pe un substrat de

32OAl . Deasupra,

elementului i izolat de acesta prin folii i straturi de cauciuc se gsescconductoarele ce genereaz cmpul magnetic H. ntregul element este mbrcat ncauciuc. Dac elementul este necomprimat, cmpul magnetic creat n zona

0Y

1Y . . . 1nY

refU

1X

2X

SA

K

AdresX

Adres YMUX

RA

PROCESORData

A+

-

0X


21/32


elementului permalloy este slab. Printr-o deformare a celulei, conductorul este adusn imediata vecintate a elementului determinnd o cretere a intensitii cmpuluimagnetic n zon i, deci, o modificare a rezistenei acestuia, liniar cu H.Sistemulde detecie al semnalelor n reea este prezentat n figura 4.19,b.

Figura 4.17

F

+Eplac metalic

material cu fibre

de carbon

plac izolatoare

zon conductoare

+-

0u

0u

presiune

b

a


22/32


Figura 4.18

Un generator de impulsuri GI asigur prin impulsuri rectangulare de oanumit frecven excitarea continua a elementelor de permalloy. Curenii nconductoare sunt realizai de un generator G i dirijai pe fiecare linie printr-uncomutator K adresabil. Rezistena fiecrei zone se poate localiza prin selecia liniei(comutatorul K) i a coloanei printr-un multiplexor de ieire MUX ce identific oanumit coloan.

Realizarea constructiv a reelei impune respectarea unor anumite

dimensiuni, n special distana dintre conductor i elementul permalloy apreciat lacca 0,1 - 0,5 mrn. Densitatea de implementare este suficient de ridicat, reeleleuzuale coninnd 8x8 celule pe o suprafa de (25 x 25) mm2.

Adres

D

+E

0u


23/32


Figura 4.19

5. Reele senzoriale magnetostrictive. Un material magnetic estemagnetostrictiv dac cmpul su magnetic se modific prin fore mecanice aplicate

pe suprafaa sa. Un senzor de acest tip este construit dintr -un material cu proprieti

magnetice izotrope i care sub efectul unor fore devine anizotrop.De exemplu, pentru aa-numita magnetostriciune pozitiv, o comprimare amaterialului determin o reducere a permeabilitii pe direcia efortului i o cretere

pe direcia normal. Ca urmare, inducia magnetic rezultant i va schimbadirecia cu un unghi U , deci un flux indus ntr-o nfurare va determina apariiaunei tensiuni proporionale cu fora aplicat.

conducto

cauciuc

substrat32OAl

folieseparatoare

elementpermalloy

Adresa

Data

01

2MUX

7

reeasenzorial

K

GI

G

ZV

b

a


24/32


Figura 4.20

n figura 4.20,a este prezentat principiul de funcionare al unui astfel desenzor. Se remarc modificarea liniilor de cmp produse de o nfurare primar,deci modificarea componentelor induse n nfurarea secundar [69]. ntreagareea senzorial se poate urmri n figura 4.20,b. Fiecare zon de contact este

materialmagnetostrictiv

nfuraresecundar

nfurareprimar

GI I DMUXAMPL.DECRNT.

reea senzorial

Adres X Adres Y MUX

-5V

-5V

-5V

+

- 0u

F


25/32


reprezentat prin cele dou nfurri ortogonale. Localizarea punctului esteobinut prin controlul alimentrii nfurrilor primare legate la cte o linie amatricei i prin selectarea la ieirea a cte unei singure coloane, deci captareasemnalului indus de pe o singur nfurare secundar, cea asociat punctului(zonei) adresate. Aceste operaii sunt realizate prin dou circuite demultiplexor -multiplexor completate de amplificatoare de curent pe intrare i ieire, respectiv.

Figura 4.21

Sistemele senzoriale de acest tip i gsesc o larg utilizare datorit ctorvaproprieti specifice cum ar fi: durabilitate i robustee datorit absenei oricrorelemente n micare, sensibilitate redus n raport cu temperatura, liniaritateacaracteristicii intrare - ieire, histerezis redus, senzitivitate mare etc.

O structur similar o au senzorii de tip magnetoelastic [70], funcionarea lorfiind bazat tot pe modificrile liniilor de cmp ale unei nfurri primare sub

efectul unei fore aplicate unui material specific (magnetoelastic).6. Reele senzoriale piezoelectrice. Senzorii piezoelectrici se bazeaz peformarea, la anumite materiale, a unor sarcini electrice sub efectul unei foreaplicate pe suprafaa materialului. Aceste sarcini sunt rezultatul polarizrii dipolilor

xC1

x

F

y

electrod pentrudetecia pe x

material piezoelectric

folie Alplci metalice

xC

2

yC1

yC2 electrod pentrudetecia pe y


26/32


moleculari ca urmare a apsrii mecanice. Principiul constructiv al unui astfel desenzor este reprezentat n figura 4.21.

Materialul piezoelectric este dispus n dou straturi, ntre dou tipuri deplci, o plac central, o folie de aluminiu legat la pmnt (cu rol de electrod) idou plci metalice cu rezisten uniform distribuit, la exterior. Fora se exercitasupra acestor plci i determin apariia sarcinilor electrice pe suprafaa lor.Pentru captarea acestor sarcini i localizarea punctului de contact, pe fiecare placexterioar sunt dispui cte doi electrozi, o pereche permite localizarea pe axa X ialta pe axa Y. Fiecare electrod este legat la un amplificator operaional cu ocapacitate pe reacie.

n funcie de poziia punctului de contact pe axa X, capacitile xx CC 21 , se

vor ncrca cu sarcini diferite. Analog, pe axa Y vor apare ncrcri difereniale peyC1 i yC2 . Msurarea sarcinilor de pe aceste capaciti, deci indirect msurarea

tensiunilor la ieirea amplificatoarelor, va permite o localizare exact a contactuluimecanic [171].

Figura 4.22

7. Reele senzoriale cu fototranzistori. Principiul de: funcionare al acestuidispozitiv se bazeaz pe conversia deformrii mecanice ntr-o informaie optic[62, 72. 73]. n figura 4.22 este prezentat structura de baz a unei reele de acesttip. Reeaua propriu-zis este o matrice de fototranzistori ce constitue suprafaa derecepie a semnalului optic. Deasupra acestei reele este montat un strat de materialM transparent, cu indice de refracie mare, care permite o reflexie intern total aluminii. n mod normal se utilizeaz folii de acryl, material ce confer proprieti

de conducie intern a luminii practic totale. Deasupra acestui strat se dispune omembran de cauciuc siliconic cu o suprafa zimat i care constitue suprafaa decontact cu obiectul palpat.

cauciuc siliconic

folie de acryl

ghid de fibre optice

reea defototranzistori

surs optic

F

ba


27/32


Pe partea lateral a foliei de acryl se monteaz o surs de lumin care poatefi obinut i cu un ghid de fibre optice. Dac suprafaa de contact nu este

perturbat de atingerea cu un obiect, reflexia luminii n folie este total, reeaua defototranzistoare fiind uniform ntunecat. n contact cu un obiect, deformarea

produs de membrana extern determin o deviere a fascicolului luminos i o zona reelei fotodetectoare devine mai intens luminat (figura 4.22,b). Localizarea

punctului de contact se obine prin identificarea fototranzistorului (sau afototranzistorilor) activai.

Figura 4.23

n figura 4.23 este prezentat configuraia circuitului de control al reelei.Fiecare fototranzistor al matricei este selectat prin adrese corespunztoare pe liniei coloan aplicate unui multiplexor i respectiv unui decodiflcator. Selecia

+E

reea senzorial

MUX Data

Adrese linie

Adrese coloan

P

P

P


28/32


coloanei se realizeaz prin porile P activate de decodificator. Coloanele neactivateau porile P cu ieire de nivel 0, ceea ce determin punerea la mas a colectorilortuturor fototranzistorilor legai la coloana respectiv. Coloana activat corespunde

porii P cu ieire de nivel logic 1 ceea ce asigur alimentarea coloanei. Selecialiniei se obine prin adresarea multiplexorului de ieire.

8. Reete senzoriale cu detecie tridimensional. Sistemele senzorialediscutate au abordat problemele identificrii plane. n. foarte multe aplicaii,

problema recunoaterii formelor obiectelor este o problem de recunoatere n celetrei coordonate X, Y, Z. Existena unei a treia coordonate Z pe care s se obininformaii tactile complic sistemul senzorial l impune tehnologii specifice deimplementare a senzorilor. Unele din cele mai izbutite reele senzoriale de acest tipsunt cele introduse de Page [17] i dezvoltate ulterior de Sato [174].

Sistemul respectiv este format dintr-o reea de elemente de tip palpator cuelementul sensibil realizat pe principiu inductiv. n figura 4.24 este prezentat

principiul de funcionare al acestui element.

Figura 4.24

Palpatorul poate culisa pe axa Z producnd deplasarea unul miez magnetic imodificnd inductana nfurrilor. Pentru o poziie de echilibru (nivel Z=0) cele

dou nfurri n secundar dau tensiunile

2u ,

2u n opoziie de faz. Oricedeplasare ntr-un sens sau altul determin o anumit decalare a fazelor tensiunilordin secundar.

Z

Palpator

2u

2u

2u

1u

obiect

0z

1z 2z

3z

1z 0

z

z

ab

x

suport

Formatted: Romanian


29/32


Figura 4.25

Detecia pe axa Z este combinat cu o detecie plan pe XY prin utilizareaunei matrici senzoriale cu 8 x 8 elemente. n figura 4.24,b este reprezentatdispunerea celor8 elemente senzitive de pe axa X, ele ncadrnd conturul obiectului

palpat i definind concomitent cotele punctelor de contact.

4.2.3. Senzori de for

Determinarea forei de apsare, de contact, ntre mna robotului i obiect,este o problem extrem de important n special n operaiile de asamblare, undecontrolul dup for, conducerea compliant, reprezint o procedur necesar

pentru obinerea unor performane tehnologice corespunztoare.Din acest motiv, eforturile ntreprinse pentru gsirea unui sistem senzorial

adecvat au fost numeroase, acestea axndu-se pe msurarea indirect a forei prinmsurarea efectelor ei asupra unor componente elastice sau ai unor parametrielectrici sau magnetici din circuit. ntruct conversia forei n parametri electro-magnetici a fost discutat la reelele senzoriale, se va trata n continuare un senzorde for bazat pe msurarea deformrilor elastice [62,75,17|.

Dispozitivul senzorial este prezentat n figura 4.25. Elementele sensibile sunt

reprezentate de cteva sfere din materiale de tip elastomer montate ntre bazadispozitivului i un element de contact, palpator. Dimensiunile sistemului suntastfel proiectate nct captul palpatorului, punctul 0 s reprezinte centrul decomplian al dispozitivului. n acest fel, o for aplicat ntr-o direcie determin o

sferelastic

palpator

cabluelastic

baz

ab

yf

xf

yf

xf

x

y


30/32


deflexie numai pe direcia respectiv. Deci, msurarea deformaiei respective este omsur direct a forei sau altfel spus, matricea de transfer ce definete legturantre vectorul deformrilor i vectorul componentelor forelor este o matricediagonal.

De exemplu, considerind un sistem cu patru sfere montate pe axele X,Y(figura 4.25 b) rezult

-

-

!

-

x

y

x

x

x

y

x

x

f

f

f

f

k

k

k

k

4

3

2

1

0

0

H

H

H

H

O astfel de msurare este numit decuplat i este extrem de avantajoaspentru calculul numeric ce finalizeaz msurarea.

Pentru msurarea deformrilor se utilizeaz un sistem electrohidraulic ca celprezentat n figura 4.26, sferele sunt pline cu un lichid, circuitul fluidic al fiecreisfere fiind controlat de cte un electroventil EV. Aceste electroventile formeaz defapt un circuit de multiplexare hidraulic controlat printr-un decodificator de adreseD. Un traductor analogic presiune - curent (P/I) msoar presiunea creat prindeformare ntr-o sfer, semnalul respectiv fiind ulterior convertit numeric de unconvertor analog - numeric i introdus n procesorul de control.

Sistemul, n ansamblu, ofer o serie de avantaje dintre care menionm:simplitatea msurrii, robusteea dispozitivului, precizie i sensibilitate ridicat,integrarea simpl ntr-un sistem de control numeric etc.


31/32


Figurea 4.26

4.2.4. Senzori for - moment

Calculul complet al forelor i momentelor ce intervin la contactul cuobiectul se poate obine prin montarea unui terminal senzitiv ca cel prezentat nfigura 4.27 [62,39.17].

Procedura de calcul se bazeaz pe msurarea deformrilor

821 ,...,, www produse asupra elementelor respective. Aceast msurare se poate

realiza dupsi tehnici piezoelectrice, magnetostrictive, magnetorezistive etc, detipul celor discutate mai sus. n funcie de aceste valori, forele i momentele seobin dup o relaie de forma,

sferelastic

Dispozitivsensibil

Adrese DataPROCESOR

CANP

I

Rezervorhidraulic1EV

2EV

3EV

4EV

D


32/32


-

-

!

-

8

7

6

5

4

3

2

1

676361

5652

4844

38363432

2621

1713

00000

000000

000000

0000

000000

000000

w

w

w

w

w

w

w

w

kkk

kk

kk

kkkk

kk

kk

M

M

M

f

f

f

z

y

x

z

y

x

.

Figura 4.27

n formula de mai sus, ijk sunt coeficienii matricei de transfer, specifici

pentru fiecare terminal. Configuraia acestei matrici indic clar faptul c procedurade calcul este nedecuplat, fiecare component de for sau moment fiind

determint de cteva variabile de deplasare iw .

z

YM

1w

2w

3w

4w

5w

6w

XM

ZM

7w

8w

x

y

cap 4-Traductoare, senzori

Documents

Transcript of cap 4-Traductoare, senzori