ГЛАВА 7. СИСТЕМЫ ТАКТИЛЬНОГО ТИПА

Информационные средства тактильного типа реализуют сенсорную функцию ося­за­ния и являются преобразователями контактного действия. В разделе В 3.4 было отмечено, что тактильная чувствительность организма связана с проприорецепторами, которые вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение статических и динамических факторов в опор­но-двигательном аппарате. Поэтому, тактильная система организма тесно связана с его кинестетической системой. В робототехнике принято разделять эти два вида рецепции, возлагая на тактильную рецепцию задачу определения силовых факторов в захватном устройстве (ладони руки). Более того, считают, что непосредственно кожная чувствительность (осязание) реализуется системой тактильных датчиков, а силовая чувствительность запястья (связанная с захватом и удержанием предмета) - силомомомен­т­ной системой. Последняя может использовать как специализированные тактильные датчики, так и датчики динамических величин, рассмотренные в разделе 4.2.

Таким образом, применительно к роботу будем считать, что тактильные датчики служат для определения вариаций давления на рабочих поверхностях исполнительного механизма. Датчики же, регистрирующие изменение динамических соотношений в сочленениях исполнительного механизма при их взаимном перемещении, а также динамические напряжения в теле манипулятора включим в состав силомоментной информационной системы. Учитывая общность функций рассмотренных информационных средств, отнесем их к клас­су систем тактильного типа.

Системы тактильного типа наиболее часто используются в задачах механической обработки и сборки, абразивной зачистки, шлифовке поверхностей, упаковке, разборе деталей из навала и т.д. Представляют интерес процессы контроля усилий при резании и сборке деталей, регулирования давления в гидросистемах станочного и специального оборудования и многих другие процессы, где необходимо обеспечить заданные силовые показатели. Существенно, что в роботах тактильная рецепция, в отличие от других сенсорных функций, реализуется не локализованной в прост­ранстве системой анализаторов, а большим количеством разнотипных датчиков, «рассеян­ных» по всей поверхности исполнительного механизма. Обычно для силового (тактильного) очувствления манипулятора используются определенные зоны, расположенные либо на исполнительном механизме, либо на объекте работы (табл. 7.1).

Таблица 7.1. Зоны тактильного очувствления роботов

В табл. 7.1 выделены шесть зон очувствления, а также обозначены следующие силовые факторы: P_n и _j - компоненты вектора усилий, возникающие на объекте манипулирования и в шарнирах манипулятора, S_k и _r - деформации губок схвата и запястья соответственно, _i и r_m - деформации пле­чевого сустава и основания манипулятора.

Силомоментные системы используются для определения силовых факторов, возникающих в контактной зоне с целью идентификации, т.е. распознавания этого контакта. Их идеология построения предполагает «локализа­цию» сенсорной функции, т.е. оснащение датчиками сравнительно небольшого объема манипулятора, или объекта манипулирования (внешней среды). При этом механическая жесткость системы «манипулятор-объект» по­лагается достаточно высокой, так, чтобы ее упругие свойства «сосредотачивались» непосредственно в датчиках, т.е. местах разрыва кинематической цепи. Датчики сил и моментов или многокомпонентные силомоментные датчики (СМД) служат для определения силовых параметров в зоне контактного вза­имодействия в векторном пространстве силовых факторов. В отличие от них, тактильные датчики служат для определения характеристик кон­тактного пятна с целью получения тактильного образа. Их структура инвариантна к жесткости системы «манипулятор-объект», и строится по прин­ципу «ин­формационных поверхностей ». Тактильные датчики используются с целью геометрического распознавания внешней среды в двух- и трех­мерном геометрическом пространстве.

7.1. Общие положения

А нализ технологических операций применяемых в основных отраслях производства и в специальных задачах показал, что более 60% из них связаны с контактным взаимодействием исполнительного механизма с внешней средой (все виды сборки и механообработки, склеивание, упаковка и др.). Автоматизация этих операций предполагает использование систем силомоментной адаптации, построенных на основе силомоментных систем и тактильных датчиков.

В общем случае, обработка тактильной информации в робототехнике осуществляется в четыре этапа: обнаружение контакта, его локализация (определение характера контакта), измерение кон­тактных усилий и распознавание контактной ситуации (или так­тильного образа). Контактное взаимодействие объектов характеризуется шестикомпонентным вектором F = (F0, M0)^T, действую­щим в некоторой системе не свя­занных с роботом координат (рис. 7.1): F = (F_x, F_y, F_z, M_x, M_y, M_z)^Т. Здесь F0, M0 - вектор сил и вектор моментов соответственно. Вектор F получил название главного вектора контактных сил и моментов. Применительно к операциям сборочного типа, например, он образуется системой сил, возникающих в точках контакта объектов сопряжения (точки a и b на рис. 7.2а). Обычно при составлении модели сборки ограничиваются рассмотрением цилиндрических объектов, сопрягаемых с некоторым технологическим зазором . В этом случае, зазор определяется выра­же­нием:  = D - d cos , где d и D - диаметры сопрягаемых деталей (вала и втулки),  - угловая несоосность. Считается, что контакт объектов сборки - точечный, и при этом количество точек контакта в процессе сопряжения изменяется от одной в момент касания до двух. Контактные усилия N₁ и N₂ при сборке варьируются в широких пределах, и при некоторых значениях может возникнуть заклинивание. В этом смысле, целью силомоментной системы является недопущение ситуации заклинивания.

Для операций типа абразивной обработки (рис. 7.2б) контакт подразумевается одноточечным. Под F_к и F_р обозначены радиальная сила и сила резания.

Для автоматизации указанных операций, как правило, приходится переводить силовые факторы из одной системы координат в другую. В частности, при управлении роботом такой системой координат является система XYZ, связанная со стойкой манипулятора (рис. 7.1). Подобный пересчет требует наряду с датчиком усилий также и датчик положения, определяющий координаты точки контакта P относительно системы XYZ. Следовательно, если датчик силы производит измерения в системе координат объектов O₁X₁Y₁Z₁, то для случая статического равновесия получим:

F0 = F и M0 = F R_f, или

(F0_x, F0_y, F0_z) = (F_x, F_y, F_z) и (M0_x, M0_y, M0_z) = (F_z R_fy - F_y R_fz, F_x R_fz - F_z R_fx, F_y R_fx - F_x R_fy)

Нетрудно видеть, что F0_x M0_x + F0_y M0_y + F0_z M0_z = 0

Данное выражение позволяет вычислить точку контакта по измеренным значениям F0 (на­при­мер, установив датчик в основание робота), если задана хотя бы одна координата - высота R_fz. (В частном случае, при R_fz = 0 использование трехкомпонентного силового датчика позволяет найти центр тяжести плоской детали).

7.2. Принципы силомоментного очувствления роботов

С истемой силомоментного очувствления (ССО) робота называется СИС, включенная в его кон­тур уп­рав­ления и предназначенная для измерения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на схват или инструмент манипулятора и формирования логического или непрерывного управляющего воздействия на исполнительный механизм в проекциях на связанную с ним систему координат. Типовая структура ССО при­ведена на рис. 7.3. В отличие от СТЗ вычислительные средства ССО обычно локальны и реализуются на базе контроллеров и однокристальных ЭВМ.

Современные ССО классифицируются по трем ос­новным признакам.

1. По принципу измерения компонент главного вектора нагрузки: системы прямого измерения (вклю­­чают СМД, устанавливаемый в раз­рыве кинематической цепи), системы косвенного измерения (ис­пользуют вариации моментов нагрузки в приводах).

2. По способу очувствления: «очувствленный манипулятор» и «очувствленная среда».

3. По объекту управления: управляется непосредственно мани­пулятор робота и управляется автономный модуль.

Учитывая данную классификацию, выделяют пять типовых вариантов построения ССО (табл.7.2).

Таблица 7.2. Схемы построения ССО роботов

Так, например, первый вариант построения ССО предполагает управление манипулятором с помощью установленного на нем СМД. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Заметим, что определение реакции между предметом в захватном устройстве робота и некоторой поверхностью (при абра­зивной обработке), или двумя предме­тами (при сборке) возможно несколькими способами. Обычно выделяют три: «очувствление» рабочей среды (в этом случае объ­­ект устанавливается на оснащенную датчиками платформу), «очувствление» за­хватного устройства или за­пястья робота, а также использование информации об усилиях, действующих на приводы робота через следящую систему.

С пособ «очувствления» рабочей среды был разработан в Сте­нфордском исследовательском институте (США) П. Уотсоном и С. Дрейком (рис. 7.4). В соответствии с ним измерение силовых факторов проводилось на системе из трех подвижных платформ, оснащенных датчиками. Вне­шние силовые факторы F и M вызывают взаимное перемещение платформ, измеряемое вдоль осей X, Y, Z с помощью восьми тензодатчиков, расположенных между платформами. Обозначив буквами  и  сигналы с тен­зодатчиков, а l сторону платформы получим: