2. Датчики манипуляторов

Датчики функционируют как преобразователи, устройства, через которые высокоуровневые рабочие системы планирования, координации и управления взаимодействуют с аппаратными компонентами. Датчики являются существенно важными элементами, потому что они преобразуют состояния физических устройств в сигналы, подходящие для ввода в систему управления рабочей ячейки. Несоответствующие датчики могут привести к ошибкам, которые делают невозможной правильную работу, независимо от того, насколько сложной или дорогой является система, в то время как инновационный выбор датчиков может значительно облегчить проблему управления и координации.

Датчики бывают разных типов и имеют много разных применений. Имея в виду аналогию с биологическими системами, проприоцепторы представляют собой датчики, встроенные в устройство, которые выдают информацию о внутреннем состоянии данного устройства (например, датчики угла соединения плеча робота). Экстероцепторы дают информацию о другом оборудовании, внешнем по отношению к устройству. Датчики выдают аналоговые или цифровые сигналы. Цифровые датчики часто предоставляют информацию о состоянии машины или ресурса (захват открыт или закрыт, машина загружена, задание выполнено). Датчики выдают выходные данные, необходимые на всех уровнях иерархии, включая использование для:

• управления с обратной связью на уровне серво (обычно аналоговые проприоцепторы)

• мониторинг и координация процесса (часто цифровые экстероцепторы или датчики контроля деталей, такие как зрение)

• контроль неисправностей и безопасности (контактный датчик, пневматический датчик потери давления)

• проверка контроля качества (часто зрение или сканирование лазером).

Выходные данные датчика должны обрабатываться, чтобы преобразовать их в форму, имеющую смысл для системы. Некоторые датчики, в том числе проприоцепторы, необходимые для управления обратными связями на уровне сервопривода, являются неотъемлемыми частями хост-устройств, поэтому обработка данных датчиков и их использование происходит внутри этого устройства, затем данные датчика включаются на уровне сервоконтроля. Другие датчики, часто следящие системы, конкурируют с роботом-манипулятором по сложности и управляются с помощью подачи сигнала заданий, Интересную проблему управления создает так называемое активное зондирование, когда, робот может держать сканирующую камеру, а камера эффективно берет на себя задачу координации движения, указывая роботу, куда двигаться, чтобы добиться максимального снижения энтропии. (увеличение информации) с последующими изображениями.

1.3 Типы датчиков

Тактильные датчики. Тактильные датчики основаны на физическом контакте с внешними объектами. Цифровые датчики, такие как концевые выключатели, микровыключатели и вакуумные устройства, дают двоичную информацию о том, происходит контакт или нет. Аналоговые датчики, такие как подпружиненные стержни, дают больше информации. Тактильные датчики на основе резиноподобных углеродных или кремниевых эластомеров со встроенными электрическими или механическими компонентами могут предоставить очень подробную информацию о геометрии детали, ее расположении и многом другом. Эластомеры могут содержать резистивные или емкостные элементы, электрические свойства которых изменяются при сжатии эластомера. .

Датчики приближения и расстояния. Бесконтактные датчики приближения включают устройства, основанные на эффекте Холла, или индуктивные устройства, основанные на электромагнитном эффекте, которые могут обнаруживать черные металлы в пределах примерно 5 мм. Такие датчики часто являются цифровыми, что дает двоичную информацию о том, находится ли объект рядом или нет. Датчики на основе емкости обнаруживают любое находящееся поблизости твердое вещество или жидкость с диапазоном около 5 мм. Оптические и ультразвуковые датчики имеют более длинные диапазоны.

Датчики расстояния включают в себя такие устройства, как гидролокатор и лазеры. Коммерчески доступный гидролокатор Polaroid предлагает точность от 1 дюйма до 5 футов, а точность углового сектора около 15 градусов. На 360 град. покрытие в навигационных приложениях для мобильных роботов, доступны как сканирующие сонары, так и несколько сонаров с кольцевым креплением. Сонар обычно шумит при ложных показаниях и требует фильтрации нижних частот и другой обработки данных, направленных на снижение частоты ложных тревог. Более дорогие лазерные дальномеры чрезвычайно точны на расстоянии и имеют очень высокое угловое разрешение.

Датчики положения, скорости и ускорения. Устройства для измерения линейного положения включают в себя линейные потенциометры и только что рассмотренные сонарные и лазерные дальномеры. Датчики линейной скорости могут быть устройствами с доплеровским эффектом на основе лазера или сонара.

Проприоцепторы положения и угла соединения являются важной частью оси сервопривода манипулятора. Датчики углового положения включают потенциометры, которые используют напряжение постоянного тока, и резольверы, которые используют напряжение переменного тока. Оптические энкодеры могут обеспечить предельную точность, используя цифровые методы. Инкрементальные оптические датчики используют три оптических датчика и одно кольцо чередующихся непрозрачных / прозрачных областей, для обеспечения углового положения относительно контрольной точки и информации об угловой скорости.

Гироскопы имеют хорошую точность, если компенсировать проблемы, связанные с дрейфом. Направленные гироскопы имеют точность около 1,5 град. Вертикальные гироскопы имеют точность 0,5 градуса и доступны для измерения многоосевого движения. Скоростные гироскопы измеряют скорости непосредственно с порогами 0,05 град / с или около того.

Доступны различные виды акселерометров в зависимости от тензодатчиков, гироскопов или свойств кристаллов. Коммерческие устройства доступны для измерения ускорений по трем осям. Новая популярная технология включает микроэлектромеханические системы (МЭМС), которые представляют собой либо поверхностные, либо объемные микрообработанные устройства. МЭМС-акселерометры очень маленькие, недорогие, надежные и точные. МЭМС-датчики особенно хорошо используют в автомобильной промышленности.

Датчики силы и крутящего момента. Доступны различные датчики крутящего момента, хотя они часто не требуются, например, внутренние крутящие моменты в соединениях манипулятора робота могут быть вычислены из токов якоря двигателя. Например, датчики крутящего момента на буровом инструменте могут указывать, когда инструменты затупливается. Пьезоэлектрический эффект, генерация напряжения при приложении силы, также может использоваться для определения силы. Другие методы измерения силы основаны на вакуумных диодах, кварцевых кристаллах (резонансная частота которых изменяется с приложенной силой).

Датчики силы-крутящего момента запястья робота чрезвычайно полезны для ловких движений робота. Доступные устройства могут измерять как силу, так и крутящий момент вдоль трех перпендикулярных осей, предоставляя полную информацию о декартовом векторе силы. Стандартные преобразования позволяют вычислять силы и моменты в других координатах.

Фотоэлектрические датчики. Доступен широкий спектр фотоэлектрических датчиков, некоторые из которых основаны на волоконно-оптических принципах. Они имеют скорость отклика около 50 мкс с диапазоном примерно до 45 мм и полезны для обнаружения деталей и маркировки, сканирования оптических штрих-кодов, подтверждения прохождения детали в задачах сортировки.