Глава 7 (Учебник - информационные системы), страница 7

F_q(q₀) = C_q(q₀) q,

Здесь параметр C_q(q₀) можно назвать матрицей обобщенной жесткости СМД.

Поскольку для «упругого упора» справедливо равенство F = C R, то обобщенная жесткость СМД в точке q₀ определится зависимостью:

C_q(q₀) = J^T (q₀) C J(q₀).

Следовательно, уравнение динамики манипулятора с запястным СМД в окрестности точки контакта запишется следующим образом:

A(q₀) q + (dF_к/dq) q = Q(q₀) + J^T (q₀)CJ(q₀) q,

где A(q₀) - матрица инерции механической системы робота, F_к(q, dq/dt) - вектор центробежных и кориолисовых сил, Q(q₀) - вектор активных обобщенных сил манипулятора (например, вектор моментов, развиваемых приводами).

Таким образом, сигнал управления исполнительным механизмом Q*(t) должен формиро­ваться в виде:

Q*(t) = Q [R, A, C, J(q₀), t]

Данное выражение показывает, что для обеспечения заданного качества управления необходимо учитывать, наряду с другими факторами, жесткость СМД и конфигурацию исполнительного механизма робота. Другими словами, система, устойчивая при одной кон­фигурации манипулятора может потерять устойчивость при ее изменении. В частности, это характерно при работе манипулятора в большой зоне обслуживания, например, для технологических операций, подобных абразивной зачистке.

7.6. Тактильные датчики

Тактильную функцию человека обычно рассматривают с трех позиций: как чувствительность к силовому воздействию, чувствительность к деформации кожи при виб­рационном возмущении и как разрешение по полю. При этом чувствительность разных участков кожи может различаться весьма существенно (табл. 7.7).

Таблица 7.7. Тактильная чувствительность некоторых участков тела

Примечания.

1. Разрешение по деформации определяется возбуждением участка площадью в 1 см² частотой 200 Гц.

2. Для определения пространственного разрешения используется двухточечное возбуждение циркулем.

Тактильные датчики непосредственно реализуют бионическую функцию осязания и предназначены для геометрического распознавания внешней среды при контактном взаимодействии. В общем случае они не входят в состав ССО робота, образуя самостоятельную группу информационных средств. Спектр возможных применений тактильных датчиков весьма широк - от задач обеспечения безопасности при работе со связанными объектами до распознавания образов деталей сложной формы. Примени­тельно к промышленному производству, эти устройства использу­ются, например, в операциях слежения за траекторией при дуговой сварке; извлечения деталей из контейнера и адаптив­ном захвате хрупких объектов; сборке электронных компонентов (включая вакуумные лампы); об­на­ру­же­ния зае­да­ний в резьбовых соедине­ниях и др.

В робототехнике тактильные датчики были первыми средствами очувствления - еще в 1961 г. Х. Эрнст оснастил ими «механическую руку» MH-1. В 70-е годы сотрудники фирмы IBM П. Вилл и Д. Гроссман создали манипулятор для сборки пишущих машинок, также использующий тактильное очувствление. С тех пор тактильные датчики являются важным средством адаптации роботов, особенно при работе в не­де­терминированных средах. Как правило, ими оснащается манипулятор и его захватное устройство, а сигналы с датчиков корректируют стратегию движения исполнительного механизма. Необходимость включения тактильных датчиков в контур управления робота предъявляет к ним определенные требования по надежности, быстродействию и точности. Именно невысокая надежность и достаточно большое время обработки информации являются основными пре­пятствиями к более широкому промышленному использованию этих устройств. Поэтому, в настоящее время, тактильные датчики имеют в основном, специальное применение - в задачах дистанцион­ного управления манипуляторами, мобильных робототехнических средствах, устройствах для переноски и складирования и т.д.

С истемы тактильного очувствления робота решают следующие основные задачи: обнаружение контакта инструмента с объектом, определение координат и площади контактного пятна, измерение силы сжатия схвата, определение ориентации объекта в схвате, обнаружение проскальзывания и измерение смещения, распознавание объектов по их тактильному образу.

Как следует из перечня основных задач, тактильные устройства, в отличие от ССО реализуют либо простейшие функции (типа касания), либо более сложные (анализ массивов данных). Это же относится и к датчикам: в пер­вом случае, они строятся с использованием простейших первичных преобразователей, а во втором - на базе слож­ных информационных устройств, требующих использования алгоритмов распознавания.

Структурно тактильная система также как и силомоментная представляет собой совокупность аппаратно-программных модулей, од­нако, в отличие от последней, ее датчики не локализованы в некоторой области, а распределены по всей повер­х­ности манипу­ля­тора. Особенно густой сетью ЧЭ оснаща­ется захватное устройство робота (рис. 7.26). Здесь уме­с­т­на био­ни­ческая аналогия: на кончиках пальцев человека на 1 см² сосредоточено до 135 механорецепто­ров, причем, порог чувствительности по усилию в некоторых местах (например, на указательном пальце) достигает  0,2 г/мм². Плотность рас­поло­жения рецепторов в дру­гих частях руки на порядок ниже.

Проведенный в 1982 г. по заказу Национального бюро стандартов (США) обзор основных технологических операций в области роботизированного производства позволил сформулировать главные требования к тактильным датчикам ро­бо­тов, которые актуальны и по сей день:

• разрядность сенсорного поля (количество ЧЭ на 1 кв. дюйм) - не менее 1010;

• время реакции ЧЭ - не более 10 мс;

• рабочий диапазон усилий - 1... 1000 г;

• обязательно малый гистерезис (но необязательно высокая линейность);

• стойкость к воздействию агрессивных сред.

Указанные параметры в первом приближении соответствуют характерис­ти­кам пальцев человека.

Тактильные датчики принято классифицировать по сле­ду­ющим приз­накам:

1. По характеру измеряемых параметров: датчики контактного давления, датчики касания (или датчики бинарного изоли­рован­ного контакта - они эквивалентны релей­ному датчику давления, на­строенному на опре­деленное значение измеряемого параметра) и датчики проскальзывания.

1. По форме входного сигнала: дискретные (релейные) и аналоговые.

7.6.1. Тактильные датчики касания и контактного давления

О диночные тактильные датчики касания и давления размещают на внешних поверхностях захватного устройства. Матрицы этих датчиков устанавливаются пре­иму­щественно внутри (на «ладони»). Поскольку контакт ЧЭ матриц с объектом работы происхо­дит сразу во многих точках, то возникает возможность определения формы объ­екта, его ориентации, а также направление возможного проскальзывания. Самой существенной особенностью тактильные датчики захватного устройства, отличающей их 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 т.п. факторы определили особое значение не метро­ло­гических, а эксплуатационных требований. Поэтому, наряду с тради­цион­ными ЧЭ, используемыми при построении силоизмерительных устройств в тактильных системах широко применяются микропере­клю­чатели, а также материалы на базе электропроводных полимеров и углерод­ных волокон. Ведутся разработки новых технологий, позволяющих получать износо- и термостойкие тензочувствительные материалы.

Наибольшее распространение в промышленности нашли дискретные 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 и устанавливались на внутренних сторонах пальцев захватного устройства, с целью определения наличия или отсутствия объекта в зоне захвата. В качестве ЧЭ таких датчиков применялись микропереклю­ча­тели (в отечественных моделях - МП 5, МП 12) или герконы (КЭМ 1, КЭМ 2). На рис. 7.27а представлен пример простого тактильного датчика на основе микропереключателя.

Другая схема этого типа использовалась в системе очувствления подводного манипулятора Curv. Здесь перемещение любого «уса» на расстояние, большее 0,01 мм деформирует упругую полусферу, вызывает смещение магнита и замыкание геркона (рис. 7.27б). Дискретные тактильные датчики характеризуются малыми усилиями срабатывания, не превышаю­щими  0,15 ... 0,20 Н.

В последнее время все чаще используются матрицы из дискретных тактильных датчиков. Пример матрицы размерностью 88 элементов приведен на рис. 7.28 а. УЭ матрицы представляют собой 64 полусферические стальные мембраны с межцентровым расстоянием  2,5 мм. Такая мембрана имеет два устойчивых положения - выпуклое и вогнутое, причем выпуклое положение удерживается избыточным дав­лением воздуха. Координаты касания вычисляются с помощью контроллера и коммутатора, поочередно опрашивающего все элементы матрицы (рис. 7.28б). Порог срабатывания составляет  0,2 ... 0,5 Н.

Все дискретные тактильные устройства обладают тремя существенными недостатками: во-первых, ограниченным ресурсом работы, во-вторых, невозможностью определения величины контактного усилия, и, в-третьих, неточностью локализации места контакта. Модель мягкой, усеянной рецепторами кожи вдохновляла многих экспериментаторов на создание соответствующих заменителей - «искус­ст­вен­ных кож », в том числе на основе эластомеров (ба­рис­­то­ров), PVF₂ -пленок и композитных материалов с волокном из графита.

П ервой схемой аналогового «распределенного» так­ти­льного датчика явилась разработка француза Ж. Кло, пре­дложившего в качестве ЧЭ использовать электропроводящий силиконовый кау­чук. На рис. 7.29а представлена схема датчика из этого материала. Преобразователь состоит из двух проволочных пластин - электродов, с взаимно перпендикулярным расположением проводников. Пластины разделены слоем силиконового каучука толщиной  200 мкм. Контактные точки в местах пересечения проводников образуют аналоговые ЧЭ. Ток через ЧЭ определяется локальной проводимостью эластомера, пропорциональной прило­жен­ному усилию. Действительно, при отсутствии давления на датчик площадь контактного пятна мала, его сопротивление велико и ток через ЧЭ практически отсутствует. При сжатии, сопротивление пятна уменьшается и ток возрастает. Недостатком эластомерных конструкций является нелинейная функция преобразования (рис. 7.29б) и существенный гистерезис. Для улучшения метрологических характеристик применяется предварительное двухстороннее поджатие эластомера пластинами-электродами. Этот принцип использовался в «искусственной коже» К. Бейтси, а также в промышленных тактильных матрицах. Первой успешной промышленной разработкой явилась матрица LTS-200 фирмы Lord Corp. (США) размерностью (128), межцентровым расстоянием 2,5 мм и диапазоном изменения сопротивления 100 ... 5000 Ом. В качестве несущей конструкции матрицы используются металлические элементы. Дальнейшим развитием идеи эластомерных тактильных датчиков явилось создание БИС тактильной матрицы, выполненной по n-МОП технологии. Подложка содержит двумерный массив ячеек, размером 1,60,9 мм, поверх которого уложен слой электопропроводящей пластмассы, толщиной  0,5 мм. В данной конструкции реализована концепция «интел­лек­туализации» сенсорной функции, и структурно она представляет собой тактильную систему с устройст­вами съема и обработки данных. Ядром системы является внутрикристальный процессор, выполняющий опрос локальных ячеек, формирование двоичного кода тактильного образа, а также выделение тактильного контура, на основе алгоритмов свертки. Рассмотренный датчик размерностью 2525 ЧЭ при раз­мере одной ячейки  11 мм, имеет суммарную площадь  6,3 см².