6.3 Датчики для вимірювання стану навколишнього середовища

(датчики зовнішньої інформації).

6.3.1 Тактильні датчики роботів

Тактильні датчики роботів імітують дотикову здатність руки людини. Вони дозволяють вирішувати наступний круг завдань:

- виявлення контакту з об'єктом (датчики дотику);

- визначення координат і площі контактної плями;

- вимірювання сили стиснення захватного пристрою;

- реєстрація розподілу силової дії по площині пальців;

- визначення орієнтації об'єкту, затиснутого в захваті;

- виявлення напряму прослизання і вимірювання зсуву предмета;

- визначення механічних властивостей предметів по ступеню їх деформації;

- розпізнавання об'єктів із заданого класу по їх тактильному образу.

По характеру вимірюваних параметрів взаємодії захвату з об'єктом маніпуляції тактильні датчики можна розділити на три групи:

а) датчики торкання;

б) датчики контактного тиску;

в) датчики прослизання.

Датчики торкання і контактного тиску призначені для вимірювання однієї і тієї ж фізичної величини – діючої сили. Відмінність між ними в тому, що датчики торкання мають поріг спрацьовування (релейні датчики сил), а датчики контактного тиску такого порогу не мають і здатні реагувати на зміну тиску в певному діапазоні.

Датчики торкання і тиску можуть бути виконані у вигляді окремих елементів або у вигляді матриці з високою щільністю розміщення елементів. Окремі датчики, зазвичай, розміщуються на зовнішніх поверхнях захвату.

Матриці датчиків тиску і датчиків торкання встановлюють на внутрішній поверхні пальців захвата. Реєстрація дотику або вимірювання тиску в місцях контакту пальців захвату з поверхнею об'єкту забезпечує можливість його пізнання, визначення його орієнтації щодо захвату, сили стиснення захвату і фіксації прослизання об'єкта відносно пальців. У останньому випадку використовуються також спеціальні датчики прослизання.

Історично першими тактильними датчиками були звичайні кінцеві мікровимикачі (рис.6.19). Пізніше замість мікровимикачів почали застосовувати герконы (рис 6.20.).

Рис. 6.19 Кінцеві мікровимикачі Рис. 6.20 Герконовий тактильний

датчик

Матриця датчиків торкання може мати наступну конструкцію (рис 6.21.).

Рис. 6.21 Матриця датчиків торкання

(1 – тонка сталева пластина; 2 – пружне покриття; 3 – електричний контакт;

4 – електрична підкладка).

Контакти в матриці встановлені з високою щільністю з міжцентровою відстанню 2,5 мм, тонка пластина 1 має півсферичні мембрани напроти кожного електричного контакту. У початковому положенні за рахунок тиску повітря, що подається в пальці захвату, півсферичні мембрани вигнуті у бік пружного покриття матриці. Коли пальці торкаються об'єкту, півсферичні мембрани, в місцях торкання, деформуються і переходять у вигнуте положення, замикаючи відповідні електричні контакти.

Пошук надійніших матеріалів для тактильних датчиків привів до появи тактильних датчиків на основі еластомірів. Конструкція датчика з провідного силіконового каучуку дуже проста (рис.6.22).

Рис. 6.22 Датчик з провідного Рис. 6.23 Вихідна характеристика

силіконового каучуку датчика

Два електроди розміщують так, що під дією тиску електроди притискаються один до одного. Електроди виготовляються з провідного силіконового каучуку. Площа контакту електродів під дією тиску збільшується, а опір падає. Графік типової залежності вихідного сигналу від сили, що діє, показана на рисунку 6.23.

В якості матеріала для тактильних датчиків можуть бути використані вуглецеві нитки, кожна з яких є пучком, що складається з декількох тисяч волокон діаметром від 7 до 30 мкм. Електричний опір контакту в місці перетину двох ниток за відсутності діючої сили, має значення порядка 2 кОм. Під дією сили F опір падає плавно.

Окрему групу тактильних датчиків складають датчики прослизання предмету в захваті. Необхідність в таких датчиках виникла у зв'язку із застосуванням роботів для маніпулювання крихкими об'єктами або предметами з легкоушкоджуваною поверхнею. Інформація про прослизання необхідна для управління силою стискання захвату і підтримки її на тому мінімальному рівні, при якому об'єкт ще надійно затиснутий і в той же час сила стиснення недостатня для руйнування об'єкту. На рис 6.24. показаний індукційний датчик прослизання.

Рис.6.24 Індукційний датчик прослизання

Він складається з корпусу, гумового валика (ролика) з постійним магнітом і магнітною головкою. При прослизанні об'єкту валик провертається, постійний магніт переміщається щодо магнітної головки і на виході магнітної головки з'являється ЕРС. Вона залежить від величини прослизання і швидкості прослизання.