Виды датчиков для измерения в ближней зоне

Размещено на http://www.allbest.ru/

1. Очувствление в ближней зоне

Датчики измерения в дальней зоне дают оценку расстояния между датчиком и отражающим объектом. Датчики измерения в ближней зоне обычно имеют дискретный пороговый сигнал, который определяет наличие объекта в пределах установленного пространства, например, при захвате объекта или при его обходе.

Существует несколько методов очувствления в ближней зоне.

2. Индуктивные датчики

Индуктивные датчики - датчики, основанные на изменении индуктивности при взаимодействии с металлическим объектом, наиболее широко используются в промышленных роботах. Принцип работы этих датчиков можно объяснить по рис. 1. На рис.1,а представлена схема индуктивного датчика, который состоит из катушки, размещенной за постоянным магнитом в корпусе. Когда датчик приближается к ферромагнитному материалу, изменяется расположение силовых линий постоянного магнита (рис. 1,б и в). При отсутствии движения силовые линии не изменяются и, следовательно, в катушке ток не индуцируется. Изменение напряжения на выходе катушки обеспечивает эффективное очувствление в ближней зоне на расстояниях ~1 мм (рис. 1).

Так как для получения выходного сигнала на датчике требуется наличие относительного движения датчика и объекта, одним из методов получения дискретного порогового сигнала является интегрирование выходного сигнала.

датчик ближний зона

Рисунок 1. Индуктивный датчик (а), форма магнитных линий при отсутствии ферромагнетика (б) и при наличии ферромагнетика в зоне измерения датчика(в)

Рисунок 2. Зависимость выходного сигнала индуктивного датчика

от скорости

Пороговый сигнал остается на нижнем уровне, пока значение интеграла остается ниже установленного порога. После превышения порога сигнал переходит на верхний уровень, что соответствует наличию объекта в зоне измерения.

3. Датчики Холла

Эффект Холла связывает напряжение между двумя точками в проводнике или полупроводниковом материале в магнитном поле, воздействующим на этот материал. Используемые сами по себе датчики Холла могут уловить только намагниченные объекты. Однако, если их использовать вместе с постоянным магнитом (рис. 36), они способны установить наличие всех ферромагнитных материалов.

Рисунок 3. Работа датчика Холла (а), снабженного постоянным магнитом (б)

Датчики Холла основаны на возникновении силы Лоренца, действующей на заряженную частицу, движущуюся в магнитном поле. Эта сила направлена по оси, перпендикулярной плоскости, образованной направлением движения заряженной частицы и направлением поля.

Предположим, что ток проходит через полупроводник n-типа, который находится в магнитном поле (рис. 3.6). Поскольку электроны являются основными носителями в материалах n-типа, а движение дырочного тока противоположно потоку электронов, сила, действующая на движущиеся отрицательно заряженные частицы имеет направление, показанное на рис. 4. Эта сила действует на электроны, которые скапливаются в нижней части материала. При внесении ферромагнетика в зону действия датчика Холла напряженность магнитного поля увеличивается, а сила Лоренца уменьшается. На полупроводнике возникает падение напряжения.

Рисунок 4. Возникновение эффекта Холла

Дискретный выходной сигнал, определяющий наличие объекта, реализуется пороговым ограничителем выходного напряжения датчика.

В качестве чувствительного элемента используется кремний, имеющий ряд преимуществ: малые размеры, высокую чувствительность, устойчивость к влиянию электрических помех, возможность использования электронного усилителя и обработки сигналов непосредственно на датчике, уменьшая тем самым размеры и стоимость.

4. Емкостные датчики

Емкостные датчики обладают способностью обнаруживать все твердые и жидкие материалы. Как видно из названия, эти датчики основаны на изменении емкости, которая зависит от расстояния до поверхности объекта в зоне действия чувствительного элемента (рис.5).

Существует ряд методов обнаружения в ближней зоне, основанный на изменении емкости:

· конденсатор представляет собой элемент колебательного контура, колебания в котором возникают только в том случае, если емкость датчика превышает заданное пороговое значение. Колебания преобразуются затем в выходное напряжение, которое указывает на присутствие объекта в зоне измерения. Этот метод обеспечивает дискретный выходной сигнал, переключение которого зависит от значения заданного порога;

· емкостной элемент в контуре, по которому постоянно проходит синусоидальный сигнал частоты. Изменение емкости вызывает фазовый сдвиг между сигналом эталонной частоты и сигналом от емкостного элемента. Фазовый сдвиг пропорционален изменению емкости и следовательно, может быть использован для обнаружения объекта в ближней зоне.

Рисунок 5. Емкостной датчик измерения в ближней зоне

Рисунок 6. Зависимость процентного изменения емкости датчика в ближней зоне от расстояния

Форма характеристики зависит от материала объекта измерения. Обычно такие датчики работают в дискретном пороговом режиме. Изменение емкости выше заданного порога Т соответствует наличию объекта, а ниже - его отсутствию в зоне, установленной величиной Т.

5. Ультразвуковые датчики

Характеристики всех рассмотренных датчиков измерения в ближней зоне сильно зависят от материала объектов измерения. Эта зависимость может быть в значительной степени уменьшена путем использования ультразвуковых датчиков (рис. 7).

Рисунок 7. Ультразвуковой датчик измерения в ближней зоне

Основным элементом датчика является электроакустический преобразователь, в качестве которого часто используется пьезоэлектрический керамический элемент. Подложка из смолы защищает преобразователь от влажности, пыли и других внешних воздействий. Она служит также как переходное акустическое сопротивление. Поскольку один и тот же преобразователь используется обычно как для передачи, так и для приема сигналов, для обнаружения объектов в ближней зоне необходимо быстрое демпфирование акустической энергии. Это достигается путем применения акустических поглотителей и развязкой преобразователя от корпуса. Конструкция корпуса позволяет получить узкий акустический поток, дающий мощный направленный сигнал.

Для лучшего понимания работы ультразвукового датчика измерителя в ближней зоне надо провести анализ сигналов, используемых как для передачи, так и для приема акустической энергии (рис. 8).

Рисунок 8. Сигналы, используемые в ультразвуковом датчике измерения в ближней зоне

Сигнал А является запорным сигналом, используемым для управления посылаемыми сигналами.

Сигнал В содержит выходной и отраженный сигналы.

Сигнал С - выделяет сигналы передачи или приема. Для того, чтобы установить различие между посылаемыми и принимаемыми сигналами, вводятся временные окна (сигнал D). Эти временные интервалы соответствуют прохождению определенных расстояний со скоростью распространения звука в используемой рабочей среде.

После получения отраженного сигнала (в то время, когда сигнал D имеет максимальное значение), вырабатывается сигнал Е, величина которого принимает нулевое значение после окончания действия передающего импульса А.

Сигнал F вырабатывается при появлении положительного импульса Е и сбрасывается в случае отсутствия сигнала Е и появления импульса А.

Таким образом, сигнал F будет иметь максимальное значение при наличии объекта на расстоянии, определяемом параметрами сигнала D, т.е. сигнал F является выходным сигналом ультразвукового датчика, работающего в бинарном режиме.

6. Оптические датчики измерения в ближней зоне

Оптические датчики измерения в ближней зоне подобны ультразвуковым датчикам в том смысле, что они определяют близость объекта по его влиянию на волновой сигнал, проходящий от источника к приемнику. Один из наиболее распространенных методов измерения расстояния в ближней зоне с помощью оптических средств показан на рис. 9.

Рисунок 9. Оптический датчик измерения в ближней зоне

Датчик состоит из светодиода, который выполняет роль источника инфракрасного излучения, и фотодиода, используемого в качестве приемника. Пучки света, сформированные оптическими системами источника и приемника в одной плоскости, пересекаются в вытянутой конусовидной зоне. Эта зона определяет рабочий диапазон датчика, так как отражающая поверхность, которая находится в зоне, освещается источником и одновременно «просматривается» приемником.

Хотя данный метод в принципе похож на метод триангуляции, имеются и различия. Зона измерений (рис. 9) обеспечивает не только точечное измерение. Поверхность, находящаяся в любом месте указанной зоны, будет идентифицирована. Для объекта с известной ориентацией и характеристиками отражения можно осуществить калибровку интенсивности изображения в функции расстояния, однако обычно систему, приведенную на рис. 9, используют в режиме, при котором формируется дискретный выходной сигнал при достижении интенсивности отраженного светового потока определенного порогового значения.

7. Тактильные датчики

Тактильные датчики используются в робототехнике для получения информации о контакте манипулятора с объектами в рабочем пространстве. Тактильная информация может использоваться, например, для определения местоположения объекта или его распознавания, а также для управления усилием захватного устройства, воздействующего на объект манипулирования.

Тактильные датчики подразделяются на два основных типа: дискретные и аналоговые. Дискретные датчики, как правило, срабатывают при наличии или отсутствии объекта, в то время как выходной сигнал аналоговых датчиков пропорционален прикладываемому усилию.

8. Дискретные пороговые датчики

Дискретные тактильные датчики являются контактными приборами типа микропереключателей. В простейшем случае переключатель размещен на внутренней поверхности каждого пальца манипулятора (рис. 10).

Рисунок 10. Простой схват робота с бинарными тактильными датчиками

Этот вариант очувствления используется для определения наличия детали между пальцами схвата. Перемещая манипулятор над объектом и последовательно производя контактирование с его поверхностью, можно также осуществить центрирование манипулятора относительно объекта для его схвата и переноса.

Путем размещения нескольких дискретных тактильных датчиков на внутренней поверхности каждого пальца схвата достигается расширение получаемого объема информации. Кроме того, они часто ставятся на внешней поверхности конечного звена манипулятора для получения управляющих сигналов, используемых при формировании траектории движения манипулятора в рабочем пространстве («ощупывание»).

9. Аналоговые датчики

Аналоговый тактильный датчик является регистрирующим прибором, выходной сигнал которого пропорционален прикладываемой силе. Простейший из таких приборов состоит из подпружиненного стержня (рис. 11), который механически связан с вращающейся осью.

Рисунок 11. Типичный аналоговый тактильный датчик

Горизонтальная сила, действующая на стержень, преобразуется в пропорциональный поворот оси. Этот поворот непрерывно измеряется с помощью потенциометра или кодовым устройством с дискретным выходом. При известной жесткости пружины сила соответствует указанному перемещению.

Для увеличения объема информации о процессе взаимодействия робота с объектом на схвате робота размещают матрицы тактильных датчиков, параметры которых меняются в зависимости от давления («графитовые столбики») (рис. 12).

Рисунок 12. Схват робота, оснащенный матрицами тактильных датчиков

В таких устройствах, обычно называемых «искусственной кожей», давление от объекта вызывает соответствующие деформации, которые измеряются как непрерывно меняющееся сопротивление. Изменение сопротивления легко преобразуется в электрический сигнал, амплитуда которого пропорциональна силе, действующей на соответствующую точку поверхности матрицы.

Рассмотренные тактильные датчики измеряют силы, перпендикулярные к чувствительной поверхности датчика. Определение проскальзывания путем измерения тангенциального движения является другой важной задачей тактильного очувствления. Датчик для определения проскальзывания включает свободно вращающийся зубчатый шар, который отклоняет тонкий стержень, установленный на оси проводящего диска (рис. 13). Под диском равномерно расположены электрические контакты. Вращение шара, вызванное проскальзыванием по нему объекта, приводит к вибрации стержня и диска с частотой, пропорциональной скорости вращения шара. От направления вращения зависит, какой контакт будет задействован вибрирующим диском. Усредненное направление проскальзывания определяется по импульсам в соответствующих выходных электрических контурах.

Рисунок 13. Устройство для определения величины и направления проскальзывания

10. Силомоментное очувствление

Силомоментные датчики используются в основном для определения сил реакции, возникающих при механической сборке. Основные методы в этой области направлены на очувствление сочленений и схвата робота.

Датчик сочленения измеряет в декартовых координатах силы и моменты, которые действуют на робот, и производит их векторное сложение. Для сочленения, перемещаемого с помощью двигателя постоянного тока, очувствление производится простым измерением тока якоря.

Датчики схвата размещаются между конечным звеном манипулятора и схватом. Они состоят из измерителей напряжений, которые определяют отклонение механической системы под действием внешних сил.

11. Элементы датчика схвата, встроенного в запястье

Датчики представляют собой небольшие, чувствительные, легкие (~370 грамм) и относительно компактные конструкции диаметром 10 см и толщиной 3 см с динамическим диапазоном до 90 кг. Для уменьшения гистерезиса и увеличения точности измерения датчик обычно выполняют из одной твердой металлической заготовки (как правило, алюминиевой).

Рисунок 14. Силовой датчик схвата, встроеный в запястье

Например, датчик, показанный на рис. 14, содержит восемь пар полупроводниковых измерителей механических напряжений, установленных на четырех отклоняющихся стержнях - по одному измерителю на каждой стророне стержня. Дифференциальное включение измерителей обеспечивает автоматическую компенсацию изменений температуры. Это первичная грубая компенсация. Так как восемь пар измерителей напряжения расположены нормально к осям х, у и z системы координат сил, три компоненты силы F и три компоненты момента М могут быть определены соответствующим сложением или вычитанием выходных напряжений (токая компенсация). Важно, чтобы движения в схвате, производимые силовыми датчиками, не влияли на точность позиционирования манипулятора.

Требования к датчикам:

1. Высокая жесткость. Частота собственных колебаний механического устройства связана с его жесткостью, следовательно, высокая жесткость обеспечивает быстрое демпфирование возникающих колебаний при измерении сил и точность показаний на коротких временных интервалах. Это снижает величину отклонений от действия сил и моментов, которая может привести к ошибке позиционирования манипулятора.

2. Компактность конструкции. Это позволяет облегчить движение манипулятора в условиях навала деталей, а также уменьшить вероятность столкновения датчика с объектами, находящимися в рабочем пространстве. Компактный датчик можно размещать ближе к расположенному в схвате технологическому оборудованию, благодаря чему уменьшается ошибка позиционирования оборудования из-за неадекватности рабочих условий оборудования и датчика. Желательно расширить диапазон измерения сил и моментов. Этому способствует минимизация расстояния между манипулятором и датчиком, приводящая к уменьшению величины рычага прикладываемых к манипулятору сил.

3. Линейность. Хорошая линейность выхода чувствительных элементов от прикладываемых сил и моментов позволяет выделить силы и моменты с помощью простых матричных операций. Упрощается процесс калибровки датчика силы.

4. Малые величины гистерезиса и внутреннего трения. Внутреннее трение уменьшает чувствительность измерительных элементов. Это также уменьшает гистерезисные эффекты при возвращении измерительного прибора в исходное положение.

12. Выделение сил и моментов

Предположим, что взаимовлияние различных измерителей пренебрежимо мало, силовой датчик схвата работает в диапазоне упругих деформаций и измерители напряжения дают показания, которые линейно зависят от их отклонения. Тогда датчик выдает восемь рядов измерений, которые должны быть обработаны программным путем на ЭВМ с использованием простого метода выделения трех ортогональных компонент сил и моментов относительно системы координат датчика силы. Такая обработка может быть реализована путем определения матрицы размерностью 6?8, называемой матрицей разделения силы (или матрицей калибровки датчика), которая составляется на основе измерений силы для выделения трех ортогональных компонент силы и момента.

Погрешность измерения сил и моментов достигает 5 %. Недостатком использования силового датчика схвата, встроенного в запястье, является то, что он обеспечивает измерение векторов силы, разделяемых в процессе контакта элементов при сборке только в одной точке.

Размещено на Allbest.ru