книги / Системы очувствления и адаптивные промышленные роботы

На основании известных соотношений, описывающих деформации сдвига и изгиба в балке прямоугольного сечения,

где b — ширина упругого элемента; h — его толщина; I — расстоя­ ние от точки приложения силы до точки установки тензорезисторов; Е — модуль упругости; v — коэффициент Пуассона, равный для большинства упругих элементов 0,3, можно заключить, что конструк­ тивным параметром, влияющим на деформацию сдвига упругого элемента, является только площадь его поперечного сечения, в то время как на деформацию изгиба упругого элемента кроме площади поперечного сечения оказывают влияние также его длина и высота. Последнее обстоятельство позволяет, используя упругие элементы деформации изгиба, более гибко подходить к проектированию силомоментных датчиков, которые должны обеспечивать измерение раз­ личных номинальных сил или моментов по отдельным координатам.

Датчик состоит из двух частей, каждая из которых может быть использована независимо от другой, обеспечивая измерение трех компонент вектора сил и моментов. Соединенные механически в еди­ ный блок, они образуют шестикомпонентный датчик.

Модуль, предназначенный для измерения компонент Fx , Fy и М 1У представляет собой две рамки 4 , 5, к которым крепятся четыре упру- 1 гих элемента 2 , образованные парами плоских пружин 1 и <?, ориен­ тированных вдоль оси элемента и повернутых относительно нее на угол 90° друг к другу. Набор из четырех верхних пружин 3 этого модуля выбирают в качестве рабочего, и на них располагают тензорезисторы, объединенные в мостовые схемы. Оставшиеся упругие элементы позволяют верхней рамке легко смещаться относительно нижней под действием измеряемых компонент, причем в каждом рабочем элементе возникают преимущественно изгибные деформации. Крестообразный модуль 6 датчика, предназначенный для изме­ рения компонент F2> М х и М уу не отличается от рассмотренного ранее (см. рис. 2 .10), а основные выражения для определения про­ екций вектора сил и моментов на связанную систему координат ана­ логичны уравнениям описанной выше конструкции. Особенностью данного датчика является реализация этих математических зави­ симостей на уровне мостовых измерительных схем (рис. 2 . 11, б). А именно, пары тензорезисторов, образующие плечи мостовой схемы,

элементов крестообразной пружины, ориентированных вдоль оси Y . Аналогичным образом из полумостов, наклеенных на противолежа­ щих упругих элементах, образованы измерительные мостовые схемы для выделения остальных компонент F. и М у.

При таком способе несколько увеличивается уровень перекрест­ ных связей между измеряемыми компонентами — до 3—5 %, что

42

6 Мх 6 Ъ Му О

S)

Рис. 2.11. Шестикомпонентиый датчик сил н моментов с изгибными упругими элементами: а — конструкция; б — схема выделения некоторых компонент силового вектора

вполне допустимо для систем управления сборочными манипуля­ торами, но при этом отпадает необходимость в дополнительном электронном блоке выделения компонент. В случае тщательного изготовления силомоментного датчика, соблюдения правильной технологии наклейки, при которой тензорезисторы размещаются на противолежащих упругих элементах в точках с одинаковой дефор­ мацией, удается снизить уровень перекрестных связей до 2 %. Температурная зависимость нуля датчика при таком включении тензорезисторов оказывается не сильнее, чем аналогичная завнси-

43

Фланец

Рис. 2.12. Пятнкомпонентный датчик сил и моментов

мость в устройствах с традиционным образованием тензомостов из элементов, находящихся на одном упругом элементе, поскольку размеры датчика сил и моментов малы, а отличия в температуре упругих элементов незначительны.

Примером пятикомлонентного датчика сил и моментов, разме­ щаемого в пальце захвата, может служить устройство, показанное на рис. 2.12. Датчик обеспечивает измерение трех проекций век­ тора силы и двух моментов, действующих относительно осей X и К.

Конструкция выполнена в виде двух упругих элементов 2, 3 балочного типа квадратного сечения и упругого элемента 1 прямо­ угольного сечения с прорезями. На упругих элементах датчика наклеены фольговые тензорезисторы, соединенные в мостовые схемы. Для усиления сигналов тензорезистивных мостов используются интегральные усилители, выполненные по схеме модулятор—де­ модулятор. Экспериментальный образец датчика такой конструкции обеспечивает измерение компонент сил в диапазоне 2 —100 Н и моментов в диапазоне 0 ,0 2 — 1 Н*м. Суммарная погрешность датчика не превышает 5 % в диапазоне температур +(5-f-40)°C.

Для непосредственного измерения вектора квазистатических сил и моментов могут быть использованы многокомпонентные датчики на основе пьезоэлектрических элементов, изготовленных из природного кварца.

Измерительный преобразователь трехкомпонентного пьезоэлек­ трического датчика сил и моментов представляет собой три соосных кольцевых сепаратора 3 с установленными в их гнездах кварцевыми дисками 1, 2 , генерирующими заряд, пропорциональный деформации растяжения-сжатия или сдвига (рис. 2.13). Для увеличения чув­ ствительности в малогабаритных датчиках сил и моментов сепаратор с дисками заменяют на сплошное кольцо, изготовленное из кварца соответствующего среза. Сепараторы с кварцевыми дисками объеди­ няются в единую конструкцию 4 с помощью корпусных элементов, обеспечивающих также предварительное сжатие кварцевых пластин.

Преимуществом данной конструкции является ее большая жест­ кость и высокая собственная резонансная частота, широкий динами­ ческий диапазон, низкий уровень перекрестного взаимодействия. Например, трехкомпонентный пьезоэлектрический датчик мод. 9251

44

Существенным недостатком силомоментных датчиков пьезоэлек­ трического типа, основанных на измерении заряда, пропорциональ­ ного действующим силам, является возможность их применения только для определения динамических и квазистатических сил и моментов.

Представителем другой группы силомоментных средств очувствле­ ния, у которых компоненты силового вектора предварительно пре­ образуются в перемещение калиброванных пружин, а затем изме­ ряются датчиками микроперемещений, является четырехкомпонент­ ный датчик, состоящий из механического центрирующего устройства (рис. 2Л5), имеющего пять степеней подвижности, и датчиков пере­ мещения его подвижных частей. Измерение линейных и угловых перемещений центрального стержня в некоторой плоскости осуи;е- ствляется парой датчиков линейных перемещений: Искомое линей­ ное перемещение находится как сумма выходных сигналов этих датчиков, взятая в некотором масштабе, а искомое угловое переме-

45

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