Тактильное очувствление роботехнических систем

Размещено на http://www.allbest.ru/

УДК 681.586.773

Тактильное очувствление роботехнических систем

А.В. Шаветов (Национальный исследовательский университет информационных технологий, механики и оптики, Санкт-Петербург)

Аннотация

В сообщении рассматривается вариант конструкторской разработки сенсоров для систем тактильного мониторинга и импульсного давления. Описывается конструкция такого датчика. Приводятся примеры использования этого типа датчиков.

Введение

Периодически в различных публикациях рассматриваются идеи создания устройств, способных регистрировать тактильные воздействия различного рода (распознавание поверхности, образов, имитация человеческой кожи). Большой интерес представляют конкретные конструкции систем такого рода.

В настоящее время разработке тактильных датчиков, способных к распознаванию геометрических образов окружающего пространства, уделяется все больше внимания, что обусловлено развитием робототехники. Все больше создаваемых робототехнических объектов оснащаются видеокамерами для зрительного распознавания объектов, т.е. бесконтактного. Но настоящий интерес вызывает именно контактное определение окружающего пространства - механическое осязание доступной зоны. Создание устройств такого рода многие специалисты считают весьма перспективным направлением, как и разработку технического зрения наподобие человеческого. Задачи ориентации в пространстве в условиях недостаточной освещенности, схватывании объекта и т.п. не могут быть эффективно решены без использования тактильного мониторинга.

Это относится к робототехническим системам, осуществляющим взаимодействие с неопределенной средой, в которой изначально неизвестно расположение объектов и их параметры (форма, материал), параметры объектов изменяются с течением времени [1].

Основная часть

Для успешного решения обозначенных задач робототехнический комплекс должен быть способен распознавать окружающую среду (или объекты в ней) с помощью тактильных датчиков.

Например, задача тактильного мониторинга поверхности заключает в себе необходимость преобразования «ощупываний» рельефа исследуемой поверхности в электрические сигналы, которые могут быть использованы для получения требуемой информации, такой, как обрыв, подъем, неровности и т.д.

Или очувствление схвата робота, который должен, при взаимодействии с объектами, применять корректное усилие. Очувствление схвата особенно важно при работе с объектами разного веса и формы, а также когда вес и форма могут изменяться в процессе взаимодействия. Создание правильного схватывающего усилия, соответствующего параметрам объекта, позволит избежать непреднамеренной деформации и повреждения, к тому же повысит точность позиционирования и все обозначенные операции смогут выполняться в адаптивном режиме.

На рис. 1 представлены два возможных размещения пьезоэлектрических пластин. Рис. 1а показывает вариант одной чувствительной ячейки для плоских тактильных элементов, которые больше направлены на определение прикосновений, чем значительного рельефа. Здесь при внешнем воздействии на элемент на контактах мы получаем электрическое напряжение, которое изменяется в зависимости от характера воздействия.

На рис. 1б представлен вариант компоновки чувствительного элемента, который способен различать значительные изменения рельефа, в зависимости от используемых компонентов, от 1 до 15 мм. Конструкцией предусмотрен щуп, способный перемещаться под воздействием неровностей рельефа. В свою очередь перемещения щупа изгибают пьезоэлектрический элемент, на контактах которого мы снимаем электрическое напряжение, изменяющееся в зависимости от изменений рельефа.

аб

Рис. 1

В настоящей работе был сконструирован рабочий прототип, конструкция которого состоит из элементов, обозначенных на рис. 1б. Это устройство имеет 12 самостоятельных чувствительных датчиков. Разрез прибора представлен на рис. 2.

Размещено на http://www.allbest.ru/

Рис. 2. Прототип в разрезе.

В качестве обработчика первичных сигналов от датчиков используется профессиональная плата разработчика Parallax DB.

Расчет сенсоров производится с помощью теории нелинейного изгиба. Основным вопросом расчета стержневых конструкций является задача об изгибе стержня. Основным способом решения таких задач является получение приближенных линеаризованных уравнений равновесия для изогнутых стержней. Для некоторых случаев есть точные решения нелинейных уравнений, выраженные в эллиптических интегралах. В таких случаях решение определяется тремя параметрами, связанными с условиями на двух концах и действующей силой и находящихся из вспомогательных таблиц. Несмотря на большое количество теоретических моделей и методов, решение задачи об изгибе очень громоздки и сложны для использования [2].

В то же время есть прогресс в получении точных аналитических решений, выраженных в эллиптических функциях с одним параметром - модулем k, определяемым действующей силой [3]. В настоящее время есть достаточно эффективные, быстрые алгоритмы для вычисления эллиптических функций и интегралов на основе современных математических пакетов (Maple и Matlab), что позволяет создать эффективные программные продукты для визуализации точных решений для изгиба тонких стержней. В наши дни это имеет ясно выраженное прикладное инженерное значение при расчете устройств точной механики и условиях ограниченных габаритов, поскольку точные аналитические решения в ряде случаев значительно отличаются от приближенных. Поэтому сравнение точных решений с приближенными может позволить найти те области параметров, где целесообразно использовать точное или возможно использовать приближенное решение. Это может позволить выбрать оптимальные характеристики создаваемых устройств микромеханики.

Применение пьезоэлектрических датчиков. Внешние механические силы, воздействуя в определенных направлениях на пьезоэлектрический материал, вызывают в нем не только механические напряжения и деформации (как во всяком твердом теле), но и электрическую поляризацию и, следовательно, появление на его поверхностях связанных электрических зарядов разных знаков.

При изменении направления механических сил на противоположное становятся противоположными направление поляризации и знаки зарядов. Это явление называют прямым пьезоэффектом.

Созданные алгоритмы на основе теории нелинейного изгиба позволяют визуализировать прогиб датчика и найти координаты его конца.

Рис. 3. Визуализация изгиба.

датчик сенсор тактильный мониторинг

Заключение

Тактильные датчики находят применение в робототехнике и медицине. В данной работе приведена конструкторская разработка тактильного датчика. В докладе был показан пример расчета координат точки сенсора с помощью теории нелинейного изгиба. Этот алгоритм позволяет найти положение свободного конца индивидуального сенсора, что используется в практических измерениях.

Литература

1. Elio Tuci, Gianluca Massera, Stefano Nolfi. Active categorical perception of object shapes with anthropomorphic robotic arm. - IEEE transactions on evolutionary computation, Vol. 14, No.6, Dec 2010.

2. Попов Е.П. Теория и расчет гибких упругих стержней. -М.: Наука, 1986. - 296 с.

3. Тимошенко С.П., Гудьер Дж. Теория упругости. -М.: Наука, 1975. - 576 с.

Размещено на Allbest.ru