67835

ТАКТИЛЬНІ СИСТЕМИ НАДАННЯ ЧУТЛИВОСТІ РТС

Лекция

Производство и промышленные технологии

Тактильними називають такі системи надання чутливості які дозволяють роботу зареєструвати факт дотику з об’єктом визначити положення точок дотику і виміряти контактні сили в кожній з них. Прообразом тактильних систем надання чутливості послужило відчуття дотику яким наділені багато живих істот.

Украинкский

2014-09-15

172 KB

0 чел.

Технічні засоби робототехнічних систем

Лекція 12

Тема: ТАКТИЛЬНІ СИСТЕМИ НАДАННЯ ЧУТЛИВОСТІ РТС

План

  1.  Поняття тактильних систем надання чутливості, їх завдання
  2.  Принцип роботи тактильних давачів дотику і контактного тиску
  3.  Давачі проковзування
  4.  Аналіз тактильних образів

Література:

  1.  Попов Е.П., Письменный Г.В. Основы робототехники: Введение в специальность: Учеб. Для вузов по спец. «Робототехн. системы и комплексы» – М.: Высш. шк., 1990.  – 224с.
  2.  Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы/ Под ред. Е.П. Попова, В.В.Клюева -  М.:  Машиностроение,1985. – 256с.
  3.  Промышленные роботы для миниатюрных изделий/ Под ред. В.Ф.Шаньгина -  М.:Машиностроение,1985. – 264с.
  4.  Фу К., Гонсалес Р., Ли К. Робототехника: Пер. с англ. – М.: Мир, 1989. -  624с., ил. 

  1.  Поняття тактильних систем надання чутливості, їх завдання

Тактильними називають такі системи надання чутливості, які дозволяють роботу зареєструвати факт дотику з об’єктом, визначити положення точок дотику і виміряти контактні сили в кожній з них. Прообразом тактильних систем надання чутливості послужило відчуття дотику, яким наділені багато живих істот. Людина отримує тактильну інформацію про форму і структуру, поверхню предметів, ощупуючи їх кінчиками пальців, шкіра яких має найбільшу кількість чутливих давачів, так званих тілець Пачіні. Відомо, що завдяки відчуття дотику людина може частково компенсувати зниження потоку інформації про зовнішній світ, викликане втратою зору. Крім того, відчуття дотику потрібне людині  у виробничій діяльності, наприклад, у випадку, коли потрібно знайти і взяти рукою шукану деталь в місці, труднодоступному для зору.

Найчастіше тактильними давачами покривають зовнішні і внутрішні поверхні губок ЗП. Особливістю експлуатації тактильних давачів є необхідність їх безпосереднього контакту  в процесі роботи з різними об’єктами, в тому числі з перешкодами, які виникають на їх шляху (часто в агресивних середовищах і при підвищеній температурі). Тому, крім звичайних, до них ставлять ряд спеціальних вимог:

  •  висока надійність;
  •  міцність;
  •  зносостійкість;
  •  пило- і вологостійкість;
  •  стійкість механічних і температурних перевантажень.

Завдання, які вирішує адаптивний робот за допомогою тактильних систем надання чутливості:

  •  пошук контакту з об’єктом;
  •  визначення координат і площі контактної плями;
  •  вимірювання сили затиску ЗП, реєстрація розподілу силової дії по площі пальців;
  •  визначення орієнтації об’єкту, затисненого в ЗП;
  •  виявлення напрямку проковзування і вимірювання зміщення предмета;
  •  визначення механічних властивостей предметів за степінню їх деформації;
  •  розпізнання об’єктів з заданого класу за їх тактильним образом.

2 Принцип роботи тактильних давачів дотику, контактного тиску

Технічні аналоги сенсорів відчуття дотику – тактильні системи надання чутливості – можуть бути побудовані з використанням різних фізичних ефектів: тензорезисторного, п’єзоелектричного, електромагнітного, магнітоелектричного і т.д., крім цього можуть використовуватись електропровідні полімери і вуглецеві волокна. Тензорезисторні чутливі елементи в тактильних давачах використовуються рідко через наявність пружного елементу, складної технології виготовлення і високу вартість. П’єзоелектричні перетворювачі, призначені для вимірювання миттєвих значень сил, знаходять застосування лише при конструюванні давачів прокозування, що пов’язане з необхідністю підсилення сигналу, пропорційного заряду, що при великій кількості давачів тиску, розміщених на ЗП, важко здійснити в реальному масштабі часу. Електромагнітні, ємнісні і магнітопружні перетворювачі досить рідко використовують для тактильного надання чутливості адаптивним роботам. Однак вони можуть виявитись необхідними для підводних і космічних роботів і маніпуляторів, що обслуговують атомні і ядерні енергетичні установки.

2.1 Тактильні давачі на основі контактних пристроїв з заданим порогом спрацювання

Для прикладу на рисунку 12.1 приведено схему тактильного давача дотику для надання чутливості ЗП підводного маніпулятора. Корпус давача складається з мембрани 3 і вусиків 2, виконаних з еластичного матеріалу – вулканізованої гуми. Деформація будь-якого з вусиків передається мембрані. Постійний магніт 1, закріплений на її внутрішній стороні, переміщується і викликає спрацювання геркона (герметичного контакту) 4. Завдяки еластичності вусиків переміщення ЗП в напрямку давача, що спрацював, на ділянці гальмування маніпулятора не викликає зміщення чи пошкодження об’єкту. Поріг спрацювання давача становить 0,15-0,20 Н.

Тактильні давачі на основі контактних пристроїв, що мають заданий поріг спрацювання, відзначаються перевагами: простотою конструкції, простотою обробки сигналу, а також низькою вартістю. Недоліком таких давачів є необхідність періодичної перевірки роботоздатності контактів і порівняно низький ресурс роботи.

2.2 Матриця тактильних давачів дотику

В останні роки значна увага приділяється розвитку систем тактильного надання чутливості, здатних отримувати більший об’єм інформації, ніж один давач. Використання таких систем базується на можливості розташування на внутрішній поверхні ЗП матриці тактильних давачів. Нижче розглянемо деякі конструкції таких давачів.

Матриця тактильних давачів дотику, зображена на рисунку 12.2 є прикладом використання контактних чутливих елементів, встановлених з високою щільністю з міжцентровою відстанню 2,5мм. Півсферичні мембрани в тонкій стальній пластині утворюють матрицю з кроком приблизно 2,5мм. Кожна сферична мембрана має два стійких положення – випукле і ввігнуте. При відсутності контакту з об’єктом тиск повідря, що подається в пальці маніпулятора, утримує мембрани в першомцу стійкому положенні. Коли пальці торкаються об’єкта, сферичні мембрани деформуються і переходять в друге стійке положення. Замикаючи контакат. Поріг спрацювання однієї мембрани не перевищує 0,5Н.

Необхідність отримання високої роздільної здатності давачів тактильної чутливості обумовило використання нових матеріалів для чутливих елементів, які раніше в робототехніці не використовувались. Спершу експерименти проводились з використанням порошкоподібного графіту в різних матричних формах. Однак для практичних цілей порошкоподібний графіт непридатний, так як поглинання вологи і газів цим матеріалом може значно змінити резистивні характеристики, приводячи в найгіршому випадку до злипання порошка. Пошук більш надійних матеріалів привів до появи тактильних давачів тиску на основі еластомерів і композиційних матеріалів з волокном із графіту. В таких пристроях, які зазвичай називають “штучною шкірою”, тиск від об’єкта спричинює деформації, які вимірюються як неперервно змінний опір. Зміна опору легко перетворюється в електричний сигнал, амплітуда якого пропорційна силі, що діє на відповідну точку поверхні матеріалу.

Конструкція тактильної матриці розмірністю 4 х 4, в якій використовується силіконовий каучук, здатний пропускати електричний струм, показана на рисунку 12.3. За своєю природою еластомер – це силіконовий каучук, змішаний з різними металами чи їх з’єднаннями, наприклад з міддю. Еластомер 5 розташований поверх друкованої плати 4, на якій витравлено шістнадцять пар концентричних провідників. Кожна пара разом з ділянкою силіконового каучука, здатного пропускати електричний струм складає тактильний елемент. Зовнішні кільця 1 з’єднані по чотири і утворюють чотири стовбчики матриці. Центральні провідники тактильних давачів з допомогою діодів 3 з’єднані в чотири рядки 2. Еластомер прикріплюється до плати за допомогою пластикової плівки 6, котра захищає його від дії зовнішнього середовища. Основний недолік еластомера полягає в появі з часом змін у матеріалі, що виражається в утворенні мікротріщин і призводить до різкого падіння питомої провідності еластомера, внаслідок чого він виходить з ладу.

В якості матеріалу для тактильних давачів можуть використовуватись вуглецеві нитки. Кожна з яких являє собою пучок, що містить декілька тисяч волокон діаметром від 7 до 30 мкм. Електричний опір контакту в місці перетину двох ниток має велике значення завдяки високій чистоті матеріалу. Зміна опору під дією навантаження носить плавний характер, що пояснюється сумарними властивостями окремих контактуючих волокон. Таким чином, електрична провідність перетину визначається кількістю контактів між волокнами. Конструктивно тактильний перетворювач з вуглецевого волокна може бути оформлений як шматок тканини, виконаний з паралельних, почергово  розташованих,  чотириміліметрових ниток скловолокна і графіту, поперечно переплетених скловолокном. Два шматочки тканини накладають один на другий так, що включені в них волокна графіту перетинаються під прямим кутом, утворюючи тактильну пропорційну матрицю (рисунок 12.4).

Іншою зручною формою матеріалу для тактильних вуглеволоконних давачів є “войлокова”  структура, зображена на рисунку 12.5. Вуглецеві пучки розділюють на відрізки довжиною біля 2,5мм, вкладають у форму і ущільнюють. Отриманий матеріал не має механічної структури. Його номінальна товщина 1мм. Опір ненавантаженого елемента площею 1см2 становить біля 200 Ом. З цього матеріалу можна вирізати тактильні елементи різної форми: шайби, прямокутні, квадратні пластини і т.д. Недолік вуглецевого волокна як матеріалу для тактильних давачів полягає в складності приєднання до матриці електричних контактів. Однак шляхи усунення цього недоліку достатньо очевидні – використання механічних з’єднань обтисканням волокна електричним провідником і використання різних стведжуючих струмопровідних клеєвих з’єднань.

Таким чином, тактильні елементи, чутливі до дотику з боку стороннього предмету, локалізуються в районі перетину поздовжніх і поперечних електродів, а їх загальна кількість дорівнює добутку кількості стовбчиків на кількість рядків тактильної матриці.

  1.  Давачі проковзування

Окрему групу тактильних давачів становлять давачі проковзування предметів в ЗП. Необхідність в таких давачах виникла в зв’язку з використанням роботів для маніпулювання крихкими об’єктами чи предметами з поверхнею, здатною легко пошкоджуватись. Інформація про проковзування необхідна для керування силою затиску ЗП і підтримання її на такому мінімальному рівні, при якому об’єкт ще надійно затиснений і в той же час сила затиску ЗП недостатня для його руйнування.

Для визначення зміщення об’єкту відносно губок ЗП можуть використовувати такі способи: вимірювання вібрацій, що виникають при проковзуванні; перетворення лінійного переміщення об’єкту в обертальний рух імпульсного давача кута повороту, тощо. Деякі варіанти конструктивних вирішень давачів проковзування показані на рисунку 12.6.

4 Аналіз тактильних образів

Якщо внутрішня поверхня губок захватного пристрою покрита тактильними давачами, що створюють матрицю, то в робота з'являється можливість визначати тип затисненої між губками деталі, її розташування і орієнтацію по відношенню до системи координат, пов'язаної із ЗП, і напрям прослизання деталі у разі недостатньої сили стиснення губок. При силовій взаємодії деталі з тактильною матрицею її поверхня деформується, що приводить до спрацьовування окремих тактильних давачів. В результаті формується так званий тактильний образ, що є наче відбитком даної деталі, перетвореним у форму електричних сигналів і записаним в пам'яті мікроЕОМ робота (рисунок 12.7).

Аналізуючи отриманий тактильний образ, можна оцінити, чи співпадає він з одним з еталонів, занесених в пам'ять мікроЕОМ в процесі навчання робота розпізнаванню деталей, і, якщо співпадає, визначити положення його характерних точок і орієнтацію, наприклад, осей інерції по відношенню до осей матриці.

Використовуючи інформацію про лінійне і кутове положення деталі в захватному пристрої, робот може скоректувати свої дії, наприклад, в процесі механічного складання для того, щоб успішно виконати доручену операцію, не дивлячись на те що дана деталь була подана йому з помилкою.

Слід зазначити, що тактильні системи надання чутливості поки не отримали широкого розповсюдження в робототехніці. Це зв'язано перш за все із специфікою їхнього застосування, що полягає в необхідності безпосереднього контакту з деталями, що мають заусенці, які до того ж можуть бути нагріті до високої температури в результаті попередньої технологічної обробки або знаходитися в агресивному середовищі. Тому тактильні системи надання чутливості роботів повинні бути міцні, зносостійкі, пило- і вологозахищені, стійкі до механічних і температурних перевантажень.

З другого боку, тактильним даним в загальному інформаційному потоці від систем надання чутливості відводиться вельми скромна допоміжна роль. Тут знову доречна аналогія з органами чуття людини, якій від 80 до 90 % інформації про навколишній світ дають очі, тактильні ж рецептори в трудовій діяльності виступають тільки як допоміжні засоби, що займають підлегле місце в ієрархії органів чуття. Промисловий робот, оснащений однією лише тактильною системою, буде в кращому разі нагадувати незрячого, який здатний виконувати обмежений набір операцій і до того ж в сповільненому темпі.

Існує, проте, одна область застосування тактильних систем, яку вони завоювали досить упевнено, далеко відтіснивши можливих конкурентів. Йдеться про контрольно-вимірювальних роботів, що представляють собою прецизійні машини, забезпечені тактильним щупом замість традиційного захватного пристрою. Принцип дії такого робота досить простий. При контролі форми якого-небудь крупногабаритного виробу робот обмацує його за заданою програмою. При торканні тактильного давача з поверхнею виробу формується електричний сигнал, що відзначає дану подію. По цьому сигналу мікроЕОМ системи управління перериває рух робота і зчитує дані з давачів положення його ступенів рухливості, на основі яких розраховується положення точки дотику в деякій системі координат, вибраній в якості бази для оцінки відхилень форми даного виробу від еталона.

4

PAGE  5


Рисунок 12.1 – Давач дотику

1 – сталева пластина; 2 – пружне покриття; 3 – електричний контакт; діелектрична підложка

Рисунок 12.2 – Матриця давачів дотику

1 – кільцеві елементи матриці утворюють стовбчики; 2 – елементи матриці, що утворюють рядки; 3 – діоди; 4 – друкрвана плата; 5 – еластомер; 6 – захисна пластикова плівка

Рисунок 12.3 – Пропорційна тактильна матриця на основі струмопровідного силіконового каучука

1 – напрям руху губок; 2 – основа губки;

3 – ізолююча прокладка; 4- електроди поперечних рядів; 5 – шар електропровідного пластику; 6- електроди поздовжніх рядів; 7 – еластичне покриття

Рисунок 12.4 -  Матриця тактильних давачів на губках ЗП робота

1 – шар вугільних волокон; 2 – фольгові електроди; 3 – електричні контакти

Рисунок 12.5 – Вуглеволоконний тактильний давач

                        а                                           б

а – електромагнітний давач проковзування:

1 – масляний демпфер; 2- котушка індуктивності;

3- магніт; 4 – вихід давача; 5 – сталева кулька;

6 – гумовий демпфер; 7 – рухомий магнітопровід;

б – магнітний давач проковзування:

1 – палець ЗП; 2- гумовий ролик; 3 – магніт;

4- магнітна головка

Рисунок 12.6 – Давачі проковзування

EMBED Word.Picture.8  

Рисунок 12.7 – Приклади тактильних образів, зареєстрованих на матриці розміреністю 17 х 17 елементів:

а – клема; б – ламель; в- голівка гвинта зі шліцом; г - шайба


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

23151. Художнє осмислення загальнолюдських цінностей у твоpчості Ліни Костенко 28 KB
  Ліна Костенко витвоpила духовний зpіз укpаїнської істоpії явила людстви складну щедpу на добpо і спpаглу до щастя і волі укpаїнську душу. Hеоціненним скаpбом людяності сили духу й добpоти сповнені поезії Ліни Костенко: Hе забувайте незабутнє І незнецінюйте коштовне Hе губіться у юpбі. Ліна Костенко багато pозміpковує над тим що ж лишає по собі людина.
23152. Шістдесятництво як явище 168.13 KB
  Зустрічі на яких громили шістдесятників відбулися у Києві Львові Харкові й Дніпропетровську. Влада не сиділа склавши руки: крім звільнень з роботи звільнили Василя Стуса Михайлину Коцюбинську В’ячеслава Чорновола організовувалися мітинги робітників і колгоспників які засуджували дії шістдесятників. 28 листопада 1970 року за таємничих обставин була вбита одна з головних учасниць руху шістдесятників Алла Горська. Феномен молодості природний для кожного нового покоління у шістдесятників щасливо поєднався із зустрічною потребою...
23153. Життя і творчий шлях Юрія Клена 66.5 KB
  Вже в 20ті роки розкрилися ті особливості його манери письма які зближували Юрія Клена з неокласиками: досконале володіння мистецькою формою своєрідний панестетизм. 1943 року з'являється в світ збірка поезій Юрія Клена Каравели в якій автор спробував синтезувати творчі принципи київських неокласиків та ідейнохудожні шукання поетів празької школи. Вершинними здобутками Юрія Кленапоета є поеми Прокляті роки 1937 та Попіл імперій 1943 1947.
23154. Я хочу правді бути вічним другом і ворогом одвічним злу... творчість Василя Симоненка 27.5 KB
  Це очі Василя Симоненка поета якому судилося прожити усього 28 років але залишитися в пам'яті народній назавжди. Тому мабуть кожне наступне покоління буде вважати Василя Симоненка своїм однолітком і гортаючи сторінки знаходити в поезіях відгуки власних емоцій і почуттів. Найбільша любов поета це рідна земля Україна саме цій темі присвячена більшість творів Симоненка: Україно ти моя молитва ти моя розпука вікова.
23155. Ліна КОСТЕНКО БЕРЕСТЕЧКО 414 KB
  Кишить Вкраїна кишлами орди І Бог згортає чорними сувоями твоє терпіння виткане з біди НЕ ЖАЛІВ МЕНІ ХАН НІ ВИНА НІ КУМИСУ НІ МЕДУ. І розджохався хан усе причіпеньки шукав: Ти мене одурив проклятий ґяуре Я привів своє військо а ти мене ошукав Що ж ти хочеш козацький ти макогоне щоб у тих болотах мені жаба цицьки дала Ти ж казав що їх мало. Ти ж мені любий брат казав Гірей. Несу свій хрест на свої Голгочі А цар стромляє мені у спину Свої двойлезі каправі очі.
23156. В. Симоненко про історичну місію людини на землі («Ти знаєш, що ти - людина?») 24 KB
  Симоненко про історичну місію людини на землі Ти знаєш що ти людина В історії української літератури шістдесяті роки стали роками творчості письменників які віддали свій голос на захист простої людини. Вони намагалися пробити чиновницькобюрократичну стіну суспільства де людина була лише гвинтиком їхнього апарату а не творцем своєї долі своєї історії. Повага до людини зокрема до її гідності до права жити так як вона хоче в цьому філософська наснаженість і гуманістична спрямованість поезії Ти знаєш що ти людина Лад у...
23157. Головний герой поезій В. Симоненка 23.5 KB
  В його юнацькому серці завжди жили любов віра в людину в її творчі можливості. Такі вірші як Лебеді материнства Україні Земле рідна Україно п'ю твої зіниці вражають читачів великою синівською любов'ю поета до своєї Батьківщини непідробним почуттям патріота. Ліричний герой цих поезій наголошує що без любові до Батьківщини нема справжньої людини. У віршах Любов Вона прийшла Є в коханні і будні і свята розкрито інтимні почуття ліричного героя.
23159. Духовні цінності людини в поезії Ліни Костенко 26 KB
  Поставити свого сучасника обличчям до норм що їх виробляло людство впродовж століть задуматися над сутністю власного життя зосередитися на усвідомленні себе сином української землі взяла на себе обов'язок поетеса Ліна Костенко. Звичайно у зв'язку із своєю позицією поетапатріота Ліна Костенко перебувала в опозиції до офіційних властей тоталітарного радянського суспільства. У своїх поезіях Ліна Костенко бачить конкретних винуватців моральної і духовної деградації людей.