Воротников С.А. - Информационные устройства робототехнических систем (960722), страница 71
Текст из файла (страница 71)
Коэффициенты 5; ~1=1, „п, 1=1, ..., 6)матрицы чувствительности определяют при тарировкс СМД. С этой цслыо к нему поочередно вдоль каждой координатной оси прикладывают силы и моменты заданной величины и определяют уровни выходных сигналов Ц с каждого из тензорезисторов.
В области упругости коэффициенты 5; полагают постоянными и их значения указывают в пасиорте на датчик. Определение текущих .значений компонент вектора Г требует проведения достаточно большого объема вычислений, связанных с решением уравнения Г =Б, С. В общем случае необходимо выполнить би операций умножения. Поэтому при построении ССО возможны два пути: во-первых, запоминание матрицы $,1 в блоке предварительной обработки СМД и последующее решение уравнения Р=Б, С и, во-вторых, построение таких конструкций СМД, в которых число компонент матрицы чувствительности минимально.
В соответствии с первым используют простые механические прсобразователи, требующие выполнения всех бл операций умножения для определения компонент, в соответствии со вторым разрабатывают пространственно сложные конструкции, не требующие значительных вычислений. Механический преобразователь СМД представляет собой пространственную пружину, допускающую упругое перемещение центра измерений относительно трех осей координат. Это перемещение в пределах зоны упругости описывается выражением Р = С К, где коэффициенты матрицы жесткости С характеризуют номинальные деформации упругих элемснтов датчика.
Вид матрицы жесткости определяет перекрестные связи в механическом преобразователе и указывает, в каких направлениях будет перемещаться центр измерений СМД под действием некоторой компоненты вектора Е. Поэтому матрица жесткости, как и матрица чувствительности, является важнсйшей характеристикой СМД, описывающей как параметрические, так 7.4. Датчики систем еиломомеитиого очувствления роботов и структурные свойства конструкции. Первые характеризуют собственно жесткость каналов измерения, вторые — перекрестные связи между ними. Эти признаки обычно применяют при классификации датчиков.
СМД принято разделять по двум основным признакам: 1) по жесткости конструкции — СМД высокой жесткости (в них используют измерители деформаций) и СМД низкой жесткости (в этом случае используют измерители перемещений); 2) по типу матрицы жесткости — СМД с матрицей жесткости общего вида и СМД с «разреженной» матрицей жесткости. В зависимости от типа матрицы жесткости С преобразование главного вектора сил и моментов Р в вектор электрических сигналов б происходит либо в блоке предварительной обработки СМД (для датчиков простой формы), либо непосредственно в СМД (для датчиков с преимущественно механическим разделением компонент).
Наиболее распространенными измерителями деформаций являются тензорезисторы, а также пьезо- и магнитострикционные преобразователи, измерителями перемещений — - оптронные пары 1 или электромагнитные (рсжс электростатические) ЧЭ. Рассмотрим коротко основные конструктивные-схемы СМД. У Х СМД высокой жесткости строят на базе упругих элементов типа балок равного сечения с наклеенными на них тензорезисторами. В системах управления сбороч- ИЭ ными манипуляторами широко используют запястные СМД с матрицей жесиио- 2 ети общего вида. Базовые схемы таких датчиков были разработаны в середине Рис.
7.5. Снломоментный датчик с 7О-х годов ХХ в. в Лаборатории Дрсйпера матрицей жесткости общего вида. (США) и Католическом университете 1, 2 — всрхннй н нижний флвнаы; (Бельгия). Пример Одной из них показана 3 — УпРУгни элемент; 4 — тензорсзн- стор на рис 7.5, Конструктивно датчик представляет собой два фланца, связанных между собой упругими элементами. Один фланец крепится к манипулятору, другой — к захватному устройству.
При деформации фланцы упруго перемещаются один относительно другого. На внутренней и внешней сторонах четырех (в других моделях трех) упругих элементов наклеены фольговые тензорезисторы, измеряющие деформации растяжения-сжатия и сдвига соответственно. Поскольку в каждом упругом элементе возникают деформации от всех шести компонент вектора Е, функция преобразования датчика описывается матричным уравнением общего вида: !.! = Ъ Г, т.
е. каждая компонента вектора Ю является линейной комбинацией компонент вектора Р, Датчики с матрицсй жесткости общего вида при значительных габаритных размерах измеряют достаточно высокие значения компонент вектора 339 7.4. Датчики систем силомомеииноео очуестелеиия роботов связанной с основанием пальца; г~ — яб, у~ — уб — координаты соответствующих упругих элементов. Матрица чувствительности датчика содержит 13 ненулевых элементов: Рис. 7.б.
Снломоментный датчик фирмы 1ВМ (СШЛ): 1 — основание; 2 — упругий элемент; 3 — уаел крепления упругих элементов: 4 — тенэорезнстор; 5 — фаланга палмга Решая указанную систему уравнений относительно действующих силовых факторов, получаем Р;,.=; à —— ~,~у, у ) ~ ~у у ) йф/З+Р' ~~о — ~з) — М.) ; Р' = (г2 — ~~) ' (гб — ~5) ' ЬΠ— УЗ) ~и ~л $= О М О О О О О ~З2 ~ЗЗ О О ~52 ~б2 О Я~~ О 0 552 О Ю„о О О О Ю„ 554 О О ~,„О О 7. Системы такти'~ы~аго типа ~41 ('~5(РО 6) + ~'6(~О ~5)1, М„=- Э (г6 — л5) 'Ч('~ ('Π— =2) — Ж'Π— ~1 Н.
Му —— (г1 — л2) Мг ~6!('~4 + ~х(УО У4)Х 0 5~2 О о ю О О о о '525 ~36 О О 5~6 О 5'65 0 ~76 Я~4 О О О ~3~ 0 Я= О ~43 552 О О Ь'63 0 0 0 Заметим, что в данной конструкции матрица жесткости С, связывающая компоненты вектора Г и вектора перемещений центра измерений К, диаго- где А1 — ~6 — размерные коэффициенты. Коэффициент влияния датчика не превышает 1 %. В роботизированном комплексе сборки узлов пишущих машинок использовали СМД подобного типа.
Диапазон измерения сил составлял 0...10 Н, а максимальный выходной сигнал при использовании полупроводниковых тензорезисторов был равен 1В. Достоинством конструкции, приведенной на рис, 7.6„ является ес унификация (использование однотипных упругих элементов изгибного типа), а недостатками. — необходимость принятия специальных мер по защите от механических повреждений, а также учет сил, возникающих при зажатии объекта в захватном устройстве. СМД со схемой типа «мальтийский крестя также имеет только изгибные упругие элементы (это обеспечивает примерно равную чувствительность каналов) и частичное разделение компонент при сравнительно простой конструкции механического преобразователя (рис.
7.7). Датчик диаметром 53 мм и толщиной 15 мм содержит четыре упругих элемента -балочного типа, связанных через внутренний фланец с захватным устройством робота (на рисунке не показано), а через четыре упругие мембраны — с внешним фланцем. Внешний фланец СМД.соединен с манипулятором. Деформации упругого элемента измеряют четыре полупроводниковых тензорезистора, установленных вдоль осевой линии. каждой грани. Тензорсзисторы, расположенные на противоположных гранях упругого элемента, объединены попарно так, что образуют восемь измерительных схем.
Функция преобразования датчика имес г вид б = Б Г, где матрица чувствительности СМД 7,4. Датчики систем сиеомо.ментного очувствеения роботов нальна: Г = СК, С = Йадб,у (~', у = 1, 2, ...„6). Это существенно унрощает обработку сигналов. Запястные датчики типа «мальтийский крест» позволяют строить прецизионные ССО высокого быстродействия. Максимальные допустимые значения сил и моментов составляют 100 Н вЂ” для Г„, .гу, 160 Н вЂ” для У'„1,6 Н м — для М„, М и 3 Н. м для М,.
Коэффициент влияния Х~. не превьпнаез 1 'Ъ. Недостатком конструкции является малое значение 1„~р, равное 0„01 м, Рис. 7,7. Силомомснтный датчик типа «мальтийский крест» фирмы Вапу ЮгцЫ (США): 1 — упруюя мембрана; 2 — тепзорезистор Во всех рассмотренных примерах СМД в качестве ЧЭ были использованы измерители деформаций. Если же датчик должен иметь малую жесткость, то ЧЭ целесообразно строить на базе измерителей перемещений. Наиболее известными ЧЭ этого типа являются электромагнитные и электростатические преобразователи. Как правило, СМД с измерителями перемещений не обладают высокими метрологическими характеристиками, и поэтому измерение в них выполняет лишь вспомогательную (контрольную) функцию.
Заметим, что схемы на базе электромагнитных ЧЭ обладают большой мощностью выходного сигнала и не требуют использования усилительных схем, однако их функция преобразования нелинейна. Диапазон измерения сил составляет 2 7 10 ...10 Н. Что касается СМД на базе электростатических преобразователей„ то для них характерны сравнительно малые размеры и широкий диапазон измеряемых сил, однако они требуют применения высоких несущих частот (для снижения утечек) и имеют повышенную чувствительность к загрязнению. В то же время линейность таких датчиков высока, и они стабильны до очень 343 7.
Системы такипиьивго яика высоких температур. Использование высоких несущих частот обеспечивает хорошую помехозащищенность к магнитным полям. Диапазон измерения сил лежитв пределах 10 ...10 Н, На рис. 7.8, а приведена конструкция четырехкомпонентного СМД малой жесткости, выполненного по схеме устройства с вынесенным центром податливости. Упругие элементы датчика созданы иа базе эластомерных структур, обладающих преимущественно одноосным напряженным состоянием. Обычно эластомер представляет собой набор из чередующихся резиновых и металлических дисков малой толщины, склеенных между собой.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
