Глава 7 (Учебник в электронном виде), страница 7
Описание файла
Файл "Глава 7" внутри архива находится в папке "Учебник". Документ из архива "Учебник в электронном виде", который расположен в категории "". Всё это находится в предмете "информационные устройства и системы" из 8 семестр, которые можно найти в файловом архиве МГТУ им. Н.Э.Баумана. Не смотря на прямую связь этого архива с МГТУ им. Н.Э.Баумана, его также можно найти и в других разделах. Архив можно найти в разделе "книги и методические указания", в предмете "информационные устройства и системы" в общих файлах.
Онлайн просмотр документа "Глава 7"
Текст 7 страницы из документа "Глава 7"
Здесь параметр Cq(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:
Cq(q0) = JT (q0) C J(q0).
Следовательно, уравнение динамики манипулятора с запястным СМД в окрестности точки контакта запишется следующим образом:
A(q0) q + (dFк/dq) q = Q(q0) + JT (q0)CJ(q0) q,
где A(q0) - матрица инерции механической системы робота, Fк(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
Участок тела | Разрешение | ||
по силе, мг | по деформации, мкм | по полю, мм | |
Нос | 5,3 | 4,7 | 4 |
Язык | 1 | ||
Палец | 36 | 0,07 | 2 |
Ладонь | 77 | 0,07 | 10 |
Икра | 112 | 5,6 | 40 |
Подошва (стопа*) | 164 | 0,65 | 40 (*) |
Примечания.
-
Разрешение по деформации определяется возбуждением участка площадью в 1 см2 частотой 200 Гц.
-
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 1010;
-
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.
-
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 88 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 (128), 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 1,60,9 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 2525 ЧЭ при размере одной ячейки 11 мм, имеет суммарную площадь 6,3 см2.
Несмотря на все более широкое внедрение эластомерных тактильных матриц в промышленную робототехнику им присущ ряд недостатков. Во-первых, они обладают невысокими метрологическими параметрами, вследствие гистерезиса и нелинейной функции преобразования. Во-вторых, эластомер не является достаточно надежным и долговечным материалом: его ресурс ограничен (2 … 3) 105 циклами нагружения.
П ожалуй, наилучшим материалом для упруго-чувствительных элементов тактильных датчиков, является ткань из тонких углеродных нитей диаметром 7 ... 30 мкм. Наряду с высокой прочностью и упругостью, характерной для углеродных соединений, и, следовательно, малым гистерезисом, углеволоконная ткань обладает высокой износостойкостью, а малая толщина нитей позволяет использовать этот материал для покрытия сложных криволинейных поверхностей манипулятора. Сопротивление пересечения между нитями изменяется плавно (данный эффект определяется суммарными свойствами отдельных волокон, составляющих нить), а проводимость пересечения определяется числом контактов между волокнами. Уровень шума весьма низок (число «плохих» контактов усредняется среди всего их множества).