Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем, страница 73

Поэтому в этих схемах больше вОзможнастей выбора диапазона измеряемь|х нагрузок. Максимальное разделение деформаций 9 достигается применением в СМД дифференциальных упругих элементов. В такой схеме точка приложения силового фактора 2 Р совпадает с центром измерения датчика, причем его перемещение осуществляется строго в направлении действующей ком- д В 7,$ Ю' поненты.

Примером такого упругого элемента является изгибная балка на двух симметричных опорах (рис. 7.10, г, Д). я Я5 8 6 Большим достоинством таких СМД является возможность приведения матрицы 10 жесткости к диагональному виду, а значит, компенсирования перекрестных связей в Я механическом преобразователе. В этом случае перекрестные связи в датчике будут обусловлены уже не конструктивными р Рис. 7.11. Тензорезисторная изфакторами, а толькО технолОгичсскими мерительная цепь однокомпопричинами (качеством наклейки тензорезисторов, их соосностью и т. д.) и составят пе 1 5...20 %, а лишь 1...3 %. В табл.

7.3 приведены формулы для расчета упругих элементов СМД. В качестве ЧЭ многокомпонентных СМД чаще всего используют тензорезисторы, малые габаритные размеры и удобство установки которых на поверхности упругого элемента позволяют строить точные и компактные 7. Системы тактильного типа СМД..Каждый тснзорезнстор измеряет деформацию непосредственно в месте закрепления, поэтому нх совокупность образует так называемую схему с действительным интегрированием, эффективность которого определяется количествам измерителей деформации. Интегрирование осуществляется суммирующей (измерительной) цепью в виде потенциометрической или мостовой схемы (рис.

7.11). В схему кроме рабочих тензорезисторов В1 — К~ включены компенсационные тензорезисторы й5 — Я10 (в прецизионных датчиках их используют для компенсации темпсратурного дрейфа нуля и чувствительности). Все рабочие тензорезисторы расположены в местах наибольших деформаций упругого элемента. Как:было показано в 2.2.1, выходное напряжение Увмх мостовой схемы с четырьмя рабочими плечами при В1 = Н2 = Вз = К4 — — Яо определяется выражением ц С~ип ЬЯ2 гЛ1 + ЛАЗ ДЛ4 вых 4 Ко Следовательно, при И~;Ио -— 5р1; (где 5, — коэффициент тензочувствитсльности; ~ = 1, 2, 3, 4) функция преобразования измерительной цепи имеет вид (живых ~т(~ип(~12 ~Л + ~!3 ~!4) ~4 '~т(~ип~!ср а максимальное значение У,„„достигается при а11 = — я~2 — — -ад — — я~4. Таблица 7,3 Соотношения для вычисления деформации и прогиба изгибных упругих здемеитов П р и м е ч а н и е .

о, <р — прогиб и поворот центра измерения СМД под действием силового фактора; 1 — момснт инерции сечения (для прямоугольного сечения 1 =ЬЬ /12). 350 7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов Заметим, что мостовая схема с четырьмя рабочими плечами и одинаковыми тензорезисторами гарантирует сохранение симметрии при синфазном влияющем воздействии. Недостатком тензорезисторных схем является низкий уровень выходного сигнала, требующий применения измерительных усилителей с высоким коэффициентом усиления (обычно не менее 1000). 7.4.3.

Датчики с совмещенными чувствительными элементами Наряду с тензорезисторами в СМД используются ЧЭ, принцип действия которых основан на пьезо- или магнитоупругом эффекте (совмещенные ЧЭ). Наиболее распространенныс схемы основаны на применении дисковых пьезодатчиков и параметрических магнитоупругих преобразователей (см. 4.2.1, 4.2.2). Их важнейшей особенностью является обеспечение высокой жесткости конструкции, что особенно важно для измерителей больших нагрузок. Пример шестикомпонентного СМД высокой жесткости представлен на рис.

7.12, а. Совмещенный ЧЭ состоит из трех блоков, каждый из которых содержит шесть пьезоэлементов с определенным направлением поляризации (на рис. 7.12, б и в эти направления показаны стрелками). Таким образом, блоки, приведенные на этом рисунке, предназначены для измерения компонент Р' и Р" . главного вектора сил и моментов Р соответственно. Следовательно, ориентируя блоки надлежащим образом, можно вычислить все шесть его компонент: '~х ~ х1:+ ~х2 + ~хЗ + ~д41 ~ у ~у1 + ~у2 + ~уЗ + ~у4 ~~! + ~г2 + ~ гЗ + ~г4 Мх (~а + ~а ~гЗ ' г4)а~2' Му Ж1+ ~г4 ~г2 ~гЗ)а~2 Мг (~ хЗ + 1~х4 ~х! ~х2)а~2+(~у2 + ~уЗ ~у1 ~у4)а~2 где а, — характерный размер СМД (расстояние между блоками). При размере 56х56х10 мм рассмотренный датчик обладает следующими характеристиками: диапазон измерения сил и моментов 0...5000 Н и 0...200 Н.

м соответственно, разрешающая способность 0,001 % максимального значения соответствующей компоненты, механическая жесткость 9 1 !0 Н/м. Коэффициент влияния Л составляет в среднем 3%. Использование в качестве ЧЭ пьсзодатчиков позволяет строить системы наивысшей жесткости. СМД на базе магнитоупругих ЧЭ обладают ббльшим выходным сигналом при той же жесткости, но мсньшей линейностью по сравнению с пьезо- 2 б датчиками. Диапазон измерения сил составляет 10 ...10 Н. В табл. 7.4 приведена сравнительная характеристика некоторых промышленно выпускаемых СМД.

351 Рис. 7.12. Шестикомпонентный СМД высокой жесткости фирмы М~1воЬивЫ (Япония): а — схема; б, а — блоки с ньсзоэлсмснтами; / — 4 — совмсн~снныс ЧЭ; 5 — измерительный блок; 6 — пьезоэлемент Основные параметры промышленных СМД П р и и е ч а н и е. Для всех моделей коэффициент влияния Л~ =- 2...4 %. 7.4. Датчики систем силомоментного очувствления роботов Таким образом, включение СМД в кинематическую цепь манипулятора, а аппаратно-программных средств ССО в контур управления робота приводит к существенному влиянию последних на качество процессов управлсния.

Поэтому технические средства ССО следует. выбирать исходя не только из особенностей конкретных операций, но и параметров робота и его системы управления. Обычно считают, что характеристики ССО должны обеспечивать заданные показатели качества переходных процессов в приводах. робота. На показатели качества влияет запаздывание, вызываемое конечным временем обработки данных в ССО, жесткость СМД, уровень перекрестных связей между каналами.

Для обеспечения управления манипулятором в режиме реального времени необходимо, чтобы время преобразования информации в ССО гсс0 не превышало частоту квантованиями приводов робота. Обычно принимают 1сс0 ~ 1/2~„'. Это ус~ов~е, в свою очередь, накладывает определенные ограничения на СМД: его конструкцию (вид и коэффициенты матриц жссткости и чувствительности), материал и т. д. Наибольшая точность достигается в датчиках с диагональной матрицсй жесткости, быстродействие — в датчиках с преимущественно механическим разделением компонент, а равная чувствительность каналов — при использовании однотипных упругих элементов. Показателем качества упругого элемента является отношение модуля упругости Е к плотности р материала.

Эта величина определяет частоту собственных механических колебаний СМД Д, которая должна быть существенно вьппе собственных частот колебаний манипулятора и его системы управления. Лучшими материалами для механического преобразователя датчика являются алюминисвые и титановыс сплавы (Д16Т, ВТ6), пружинные стали (ШХ15, 36 НХТЮ). Достоинством алюминиевых сплавов является высокий предел текучести, позволяющий обеспечить достаточный уровень выходного сигнала, а также меньшая по сравнению со сталью плотность и, следовательно, меньшая масса алюминиевого датчика. Промышленный выпуск ССО в мире постоянно растет. Анализ существующих моделей позволяет условно разделить их па четыре типа (табл.

7;5). В наиболее распространенных схемах 1 типа ССО представляет собой три отдельных блока: механический преобразователь, блок аналоговых усилителей и устройство цифровой обработки сигналов. В схемах Б типа вовсе не используют цифровую обработку данных, а схемы Ш типа состоят из двух блоков: механического преобразователя с интегрированным каскадом усилителей и устройства цифровой обработки сигналов. Наконец, в схемах 1У типа все блоки совмещены и находятся внутри механического преобразователя. Эта схема, получившая название «интеллектуального» СМД, приведена на рис.

7.13. 12. С.А. Вормников 7, Системы иактилыюао типа Рис. 7ЛЗ. Структурнал схсма «интсллжгуальнсго» СМД Примеры нромьннленных ССО Рагрсшаюша» саособносг г. СМд. Использование «интеллектуального» СМД позволяет вынести задачу принятия решения об изменении алгоритма движения манипулятора на уровень ССО, разгрузив тем самым верхний уровень управления роботом. Датчик представляет собой совокупность аппаратно-программных модулей, связанных с устройством управления робота посредством стандартного интерфейса (последовательного или параллельного канала связи, канала связи с техноло- Э54 7.5. Методы раслознавания контактных сггтуаггггй гическим оборудованием, локальной сети и т.

д.). Структура системы управления в этом случае является двухуровневой и строится по схеме главная машина — сателлит„где функцию сателлита выполняет СМД. Он же решает задачу верхнего уровня управления, т. е. формирует стратегию движения манипулятора. С этой целью в состав СМД входит сенсорный контроллер, построенный на базе однокристальной ЭВМ, а в памяти программ и данных может храниться база знаний. Нижний уровень — уровень управления приводами — реализуется традиционным образом с помощью штатного устройства управления ~например, Сфера 36» для робота РМ-О1). Обмен данными между уровнями осуществляется протоколами связи. В частности, верхний уровень управления может корректировать траекторию движения когщевого эффектора процедурами прерывания, модифицируя закон управления.

7.5. Методы распознавания контактных ситуаций В задачах распознавания контактных ситуаций, возникающих в робототехнике, используются те же подходы, что и в СТЗ. При этом контактная ситуация описывается в терминах тактильного образа, который определяется совокупностью отдельных признаков. Существо распознавания заключается в отнесении некоторой контактной ситуации к соответствующему классу. Наиболее простые задачи связаны с выбором заданного объекта из нескольких по весовым показателям при сортировкс или разборе навала. В более сложных задачах распознавание в значительной степени является эвристическим, так как зачастую признаки образа сформировать заранее невозможно.