67835

ТАКТИЛЬНІ СИСТЕМИ НАДАННЯ ЧУТЛИВОСТІ РТС

Лекция

Производство и промышленные технологии

Тактильними називають такі системи надання чутливості які дозволяють роботу зареєструвати факт дотику з обєктом 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

1 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

21340. ОБЛІК ДОВГОСТРОКОВИХ ЗОБОВ’ЯЗАНЬ 96.5 KB
  Для фінансування довгострокових проектів, розширення виробничої діяльності компанії можуть випускати акції або довгострокові облігації (Bonds). При цьому перевага надається саме облігаціям.
21341. Структура базовой информационной технологии и алгоритм решения 513.5 KB
  Структура базовой информационной технологии и алгоритм решения Концептуальный уровень описания содержательный аспект Так как средства и методы обработки данных могут иметь разное значение то различают глобальную базовую и специальную конкретную информационные технологии1. Специальные конкретные ИТ задают обработку данных в определенных типах задач пользователей. Следующие за процессом Получение информационные процессы уже производят преобразование данных. Процесс обработки данных включает .
21342. Информационные технологии. Введение в дисциплину 216 KB
  К основным направлениям дальнейшего влияния ИСиТ на экономику и управление производством относятся: активизация процессов рыночного взаимодействия; создание рынка информации и информационных услуг; увеличение потребности в информационных услугах; глобализация международного бизнеса за счет развития сетей типа Интернет; изменения организационных структур предприятия и др. Различные задачи обработки информации требуют соответствующей подготовки информационной культуры всех членов общества. Существование множества определений информации...
21343. Информатика — научная дисциплина 863.5 KB
  Информатика как наука Информатика научная дисциплина изучающая структуру и общие свойства информации а также закономерности всех процессов обмена информацией. Информатика трактовалась как комплексная научная и инженерная дисциплина изучающая все аспекты разработки проектирования создания оценки функционирования основанных на ЭВМ систем переработки информации их применения и воздействия на различные области социальной практики. Информатика в широком смысле представляет собой единство разнообразных отраслей науки техники и...
21344. Преобразования структурных схем 749 KB
  Перенос точки ветвления через узел Перенос узла суммирования через звено по ходу сигнала Перенос узла суммирования через звено против хода сигнала Перенос точки ветвления через звено по ходу сигнала Перенос точки ветвления через звено против хода сигнала Последовательное соединение звеньев Последовательным соединением звеньев называется такое соединение при котором выходная величина предыдущего звена поступает на вход последующего. Следовательно при последовательном соединении звеньев их передаточные функции перемножаются Нули и...
21345. Устойчивость систем автоматического управления 1.15 MB
  Оценить устойчивость системы можно в результате исследования ее математической модели то есть решить соответствующую систему дифференциальных уравнений. Для разомкнутой системы математическая модель в операторной форме: или где оператор дифференцирования. Для замкнутой системы: или .
21346. Свойства систем автоматического управления 975.5 KB
  Системы характеризуются: запасом устойчивости областями устойчивости притяжения качеством регулирования и другими характеристиками. Структурная устойчивость неустойчивость Это такое свойство замкнутой системы при наличии которого она не может быть сделана устойчивой ни при каких изменениях параметров. Годограф Найквиста для данной системы изображен на Рис. Устойчивость этой системы определяется значениями параметров и .
21347. Теория автоматического управления 720 KB
  Постановка задачи автоматического управления. Типовые звенья систем автоматического управления все виды математических моделей построение частотных характеристик: Идеальное и реальное усилительные идеальное и реальное дифференцирующие идеальное формирующее идеальное интегрирующее звено второго порядка апериодическое колебательное консервативное минимально фазовые звенья. Устойчивость систем автоматического управления: Анализ устойчивости САУ по корням характеристического уравнения Алгебраический критерий устойчивости Гурвица.
21348. Минимально фазовые и неминимально фазовые звенья 1.64 MB
  Если в передаточной функции произвести замену то получаем называемое частотной характеристикой звена частотный коэффициент передачи звена. Общая фаза выходного сигнала звена будет складываться из частичных фаз определяемых каждым двучленом числителя и знаменателя. Если хотя бы один из корней звена расположен справа то такое звено не минимально фазовое звено.