Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем, страница 76

Здесь уместна бионическая аналогия: на кончиках 2 пальцев человека на 1 см сосредоточено до !35 механорецепторов, причем порог чувствительности к силовому воздействию в некоторых местах (например, на указательном пальце) достигает - 0,3 мН. Плотность расположения рецепторов в других частях руки иа порядок ниже'. Проведенный в 1982 г. по заказу Национального бюро стандартов (СИ!А) обзор основных технологических операций в области роботизированного производства позволил сформулировать главные требования к тактильным датчикам роботов, которые актуальны и по сей день: размерность матричных ЧЭ не менее 8х8; время реакции ЧЭ ие более 10 мс; рабочий диапазон усилий О,О! ... !О Н; малый гнстерсзис (но не обязательно высокая линейность); стойкость к воздействию агрессивных сред, Указанные параметры в первом приближении соответствуют характеристикам пальцев человека.

' Продолжая бионическую аналогию, заметим, что с развитием микромеханики появились устройства, называемые «искусственная кожа», в которых плотность размещения тактильных ЧЭ соизмерима с соответствующей плотностью в биологической системе. 7.7. Тактильньмдаи~чака Рис. 7.17.

Схема матричного датчика давления (а), датчиков касания ® и проскальзывания (в).. 1 — корпус; 2, 3 -- ЧЭ; 4 — магнит; 5 — гсркон; 6 — сапфировая игла; 7 — пьсзозлемсит; 8 — лемпферы Тактильные датчики принято подразделять по следующим признакам: 1) гю характеру измеряемых параметров — датчики контактного давления (рис. 7.17, а), датчики касания (рис. 7.17, б) и датчики проскальзывания (рис.

7.17, в); 2) по размерности — одиночные и матричные; 3) по форме входного сигнала — дискретные (релейныс) и аналоговые. 7.7.2. Тактильиые датчики касании и контактного давления Тактильные датчики касания и давления обычно размещают на внешних поверхностях захватного устройства. Матричные датчики устанавливают преимуществлшо на внутренних повсрхностях (на «ладони»). Поскольку контакт ЧЗ этих датчиков с объектом работы происходит сразу во многих точках. возникает возможность определения формы объекта, его ориентации, а также направления возможного проскальзывания.

Самой существенной особенностью тактильных датчиков захватного устройства, отличающей нх от других информационных устройств робота, является наличие непосредственного контакта с объектом работы. Ударные нагрузки, возникающие при замыкании кинематической цепи манипулятора, агрессивное воздействие внешней среды и другие факторы определили особое значснис 7. Системы тактильного типа не метрологических, а эксплуатационных требований. Поэтому наряду с традиционными ЧЭ, используемыми при построении силоизмерительных устройств, в тактильных системах широко применяют микроперсключатели, а также матсриалы на базе электропроводных полимеров и углеродных волокон; разрабатывают новыс технологии, позволяющие получать износо- и термостойкие тензочувствительные материалы. Наибольшее распространение в промышленности нашли дискретныс тактильные датчики.

Они обладают релейной функцией преобразования и служат для фиксации факта контакта исполнительного механизма с объектом или препятствием. Дискретные датчики явились первыми тактильными средствами, которые устанавливали на внутренних сторонах пальцев захватного устройства, В качестве ЧЭ таких датчиков применяли микропереключатели (в отечественных моделях МП 5, МП 12) или гсрконы (КЭМ 1, КЭМ 2).

Другую схему дискретного датчика использовали в системе очувствления подводного манипулятора «Сигч». Здесь перемещение любого <<уса» на расстояние более О,О! мм деформирует упругую полусферу, вызывает смещение магнита и замыкание геркона (см. рис.

7.!7, 6). Дискретные тактильные датчики характеризуются малыми усилиями срабатывания (до О, !5...0,20 Н). В последнее время широко используют матричные тактильные датчики. ЧЭ одной из таких матриц размерностью 8х8 элементов представляют собой б4 полусферические стальные мембраны с межцентровым расстоянием 2,5 мм. Мембрана имеет два устойчивых положения — выпуклое и вогнутое, причем выпуклое положение удерживается избьггочным давлением воздуха, поступающего из.пневмоссги робота. Координаты касания вычисляются с помощью контроллера и коммутатора, поочередно опрашивающсго все элементы матрицы.

Порог срабатывания составляет 0.2...0,5 Н. Все дискретные тактильные датчики обладают тремя существенными недостатками: ограниченным ресурсом работы, невозможностью определения значения контактного усилия и неточностью локализации места контакта. Модель мягкой, усеянной рецепторами кожи вдохновляла многих экспериментаторов на создание се заменителя — «искусственной кожи», в качестве которой в настоящее время применяют эластомсры (баристоры), пленки поливинилфторида (ПВФ) и композитные материалы с волокном из графита. Первой схемой матричного аналогового тактильного датчика явилась разработка француза Ж. Кло, предложившего в качестве ЧЭ использовать электропроводящий силиконовый каучук. На рис.

7.18 представлены конструкция датчика из этого материала, его функция преобразования и эквивалентная схема. Преобразователь состоит из двух проволочных пластин-электродов с взаимно перпендикулярным расположением проводников (см.

рис. 7.18, а). Пластины разделены слоем силиконового каучука толщиной -200 мкм. Контактные точки в местах пересечения проводников образуют аналоговые ЧЭ (см. рис. 7.18, б). Ток через ЧЭ определяется локальной проводимостью 366 эластомсра, пропорционалыюй приложенному усилию. При отсугствии давления на датчик площадь контактного пятна мала, его сопротивление велико и ток через ЧЭ практически озсутствует. При сжатии сопр~ливление пятна уменьшаегся и ток возрастает. Недостатком эластомерных конструкций является нелинейная функция преобразования и .существенный гистерезис (см. рнс, 7.18, а), Для улучшения метрологических харакзеристик применяют предварительное двухстороннее поджатие эластомера пластинами-элекгродами, Эгот принцип использовали в «искусственной коже» (К.

Бейтси), а также в промьпцлснных гакгильпых магрицах, Первой успецпюй промышленной разработкой явилась матрица 1.'1Б-200 фирмы 1..ого Согр, (США) размерностью ~12к 8), с межцснтровым расстоянием 2,5 мм и диапазоном изменения сопротивления 100...5000 Ом, В качестве несущей конструкции матрицы чаще всего применяюз металлические элемлггы. 50 40 20 10 0 100 200 300 400 р, к.Па а Рис. 7.38.

Такгилы~ыЙ датчик на оазе силиконового каучука: а — конструкция и фуикцив ирсобрмоввиив; б — жвивввенп~ая схема; / — верхний ~иекгрол' ~ — хв~н"х~цц1Г1 сваи ~ ингения "гачев'~рО~ Дальнейшим развгпием идеи эластомерных гактильных датчиков явилось создание интегральной схемы такзильной мазрицы, выполненной но полупроводниковой технологии. 11одложка содержит двумерный массив ячеек, на который уложен слой элскзронроводящей пластмассы толщиной 0,5 мм, В конструкции реализована концепция «интеллектуализации» сенсорной функции. Датчик вюночаст однокристальный процессор, выполняющий опрос ячеек, формирование двоичного кода тактильного образа и выделение тактильного контура на основе алгоритма фильтрации.

Размер- 2 ность матрицы составляет (25 х 25), плопгадь поверхности 6,3 см, 7. Сисп!ел~и тактильного типа 200 120 40 7.7.3. Тактильные датчики проскальзывании Отдельную группу тактильных срсдстВ Очувствления составляют информационньи устройства, регистрирующие факт проскальзывания предмета относительно рабочей поверхности. В робототехнике иаюиильиые дащ- Несмотря на все более широкое внедрение зластомсрных тактильных матриц в робототехнику им присущ ряд недостатков. Во-первых, они обладают невысокими метрологическими параметрами вследствие гистерезиса и нелинейной функции преобразования, во-вторых, элаетомер нс является достаточно надежным и долговечным материалом, твк как его ресурс огра- 5 ничен (2...3) 10 циклами нагружения.

Пожалуй, па сегодняшний день наилучшим материалом ЧЭ тактильных дзтчикОВ ЯВлЯетсЯ ткань из тонких утлеродных нитсй диаметром 7...30 мкм, Наряду с Высокой прочностью и упругостью, характерной для углеродных ~оед~нений, а сл~до~а~ел~~о, малы~ гистсрезисом, углеволокопная ~~ань Обладает высокой! Износостойкостью, а ма~ая толщина ни~еЙ поз~оляе~ использовать этот материал для покрытия ~ложных криволинейных поверхностей манипулятора. Сопротивление деформированных участков датчика изменяется плавно (данный эффект определяется суммарными свойствами отдельных волокон, составляющих нить), а уровень шума выходного сигнала, обусловленный случайно возникающими контактами, весьма низок. Углеволоконпую ткань формируют из пучков графитовых и стеклянных нитей 1 240 или В Виде «ВОЙЛОчной» структуры. В последнем случае (рис.

7.19) углеродныс з пряди разделяют на куски длиной 2,5 мм, у укладывают в форму и уплотняют до тол160 ! и 2 щины 1...2 мм. В среднем сопротивление 2 такого злемеп1а площадью 1 см составля- 80 Ш ст 200 0м. г1енагруженпос пересечение ! 1У 2 ! двух пучков сечением 0,5 мм имеет со! ! ! противленис 2 кОм при уровне помех око- О 0,1 1 10 102 10з р,кПЗ ло 5 %. При приложении силы в 0,01 Н сопротивление понижается до 1 кОм, а Рис. 7.19. Конструкция и фуцкцця УРовень помех До 0 5 црсобразовзцця углеродцой так- Функция преобразования тактильного тильцой л!зтрнцы: дагчика, представленная па рис. 7.19, раз- 1 — злелвцт л!З1рцц!я; 2 — электро- бита нз четыре участка: 1 — !Пумов, 11— ды; 3 — — чуВствцтсльный слОи уплотнениЯ ВОлОкОИ, 1И вЂ” искриВлениЯ ВО- локон и 1У вЂ” деформации волокон, Углеволоконныс датчики используют до контактных давлений 0,2 Мйа, причем гистерезис ие превышает 1 %. 7.7.