GOS for Iphone / mobile / Информационные устройства роботов

Информационные устройства роботов

1. Назначение, основные технические характеристики и области применения

аналоговых и цифровых датчиков в системе управления манипуляционного робота.

Информационные устройства подразделяют на две группы: устройства сбора информации о состоянии робота и устройства сбора информации о внешней среде. Устройства первой группы обеспечивают введение обратных связей внутри робота. К ним относятся датчики измерения линейных и угловых перемещений, датчики скоростей и ускорений исполнительных устройств и рабочего органа робота. Устройства второй группы обеспечивают адаптивное управление роботом в зависимости от состояния внешней среды. К датчикам внешней информации относятся тактильные и локационные датчики, датчики усилий и проскальзывания и др.

Датчик – это элемент измерительного, сигнального, регулирующего или управляющего устройства, преобразующий контролируемую величину (температуру, давление, частоту, силу света, электрическое напряжение, ток и т.д.) в сигнал, удобный для измерения, передачи, хранения, обработки, регистрации, а иногда и для воздействия им на управляемые процессы. Или проще, датчик – это устройство, преобразующее входное воздействие любой физической величины в сигнал, удобный для дальнейшего использования.

Измерительное устройство или датчик (sensor)(как правило) состоит из двух частей: измерительной головки (sehsor head) и преобразователя (transducer).

Результат измерения – это «реакция измерительной головки датчика», которая на выходе преобразователя представляет собой электрическую величину, распространяющуюся дальше по проводнику. Выходной сигнал измерительного устройства (датчика) есть выходной сигнал преобразователя. В большинстве управляющих систем этот выходной сигнал электрический.

Различают три класса датчиков:

1)Аналоговые датчики (датчики вырабатывающие аналоговый сигнал)

2)Цифровые датчики ( генерирующие последовательность импульсов или двоичное слово)

3)Бинарные (двоичные) датчики которые вырабатывают сигнал только двух уровней «Выключено/включено» (0 или 1)

Датчик должен воспроизводить физическую величину максимально быстро и точно.

Хотя чаше всего датчик выбирают исходя из надежности и удобства обслуживания, его точность, стабильность и повторяемость результатов остаются важнейшими факторами.

Большая часть характеристик датчика, которые приводятся в техническом описании, - статические параметры. Эти параметры не показывают, насколько быстро и точно датчик может измерить сигнал, изменяющийся с большой скоростью. Свойства, отражающие работу датчика в условиях изменяющихся входных воздействий, называются динамическими характеристиками (dynamic characteristic). Они существенно влияют на работу системы управления. Идеальный датчик мгновенно реагирует на изменение физической величины.

Статические характеристики датчиков

Статические характеристики датчика показывают, насколько корректно выход датчика отражает измеряемую величину спустя некоторое время после ее изменения, когда выходной сигнал установился па повое значение. Важными статическими параметрами являются: чувствительность, разрешающая способность или разрешение, линейность, дрейф нуля и полный дрейф, рабочий диапазон, повторяемость и воспроизводимость результата.

Чувствительность (sensitivity) датчика определяется как отношение величины выходного сигнала к единичной входной величине (для тонких измерительных технологий определение чувствительности может быть более сложным).

Разрешение (resolution) — это наименьшее изменение измеряемой величины, которое? может быть зафиксировано и точно показано датчиком.

Линейность (linearity) не описывается аналитически, а определяется исходя из градуировочной кривой датчика. Статическая градуировочиая кривая показывает зависимость выходного сигнала от входного при стационарных условиях. Близость этой кривой к прямой линии и определяет степень линейности. Максимальное отклонение от линейной зависимости выражается в процентах,

Статическое усиление (static gain) или усиление по постоянному току

(d.c.gain) — это коэффициент усиления датчика на очень низких частотах. Большой коэффициент усиления соответствует высокой чувствительности измерительного устройства.

Дрейф (drift) определяется как отклонение показаний датчика, когда измеряемая

величина остается постоянной в течение длительного времени. Величина дрейфа может определяться при нулевом, максимальном или некотором промежуточном значении входного сигнала. При проверке дрейфа нуля измеряемая величина поддерживается па нулевом уровне или уровне, который соответствует пулевому выходному сигналу, а проверка дрейфа на максимуме выполняется при значении измеряемой величины, соответствующем верхнему пределу рабочего диапазона датчика. Дрейф датчика вызывается нестабильностью усилителя, изменением окружающих условий (температуры, давления, влажности или уровня вибраций), параметров электроснабжения или самого датчика (старение, выработка ресурса, нелинейность и т. д.)

Рабочий диапазон (operating range) датчика определяется допустимыми верхним

инижним пределами значения входной величины или уровня выходного сигнала

Повторяемость (repeatability) характеризуется как отклонение между несколькими последовательными

измерениями при заданном значении измеряемой величины при одинаковых условиях, в частности приближение к заданному значению должны происходить всегда и либо как нарастание, либо как убывание. Измерения должны быть выполнены за такой промежуток времени, чтобы не проявлялось влияние дрейфа. Повторяемость обычно выражается в процентах от рабочего диапазона.

Воспроизводимость (reprodudbility) аналогична повторяемости, но требует большего интервала между измерениями. Между проверками на воспроизводимость датчик должен использоваться по назначению и, более того, может быть подвергнут калибровке. Воспроизводимость задается а виде процентов от рабочего диапазона, отнесенных к единице времени (например, месяцу).

Динамические характеристики датчиков.

Динамические свойства датчика характеризуются целым рядом параметров. которые, однако, довольно редко приводятся в технических описаниях производителей. Динамическую характеристику датчика можно экспериментально получить как реакцию на скачок измеряемой входной величины. Параметры, описывающие реакцию датчика, дают представление о его скорости (например, время нарастания, запаздывание, время достижения первого максимума), инерционных свойству (относительное перерегулирование, время установления) и точности (смещение).

Динамическая реакция датчика на скачок.

Т0 — время прохождения жшы нечувствительности, Тd — запаздывание,

Тр — время достижения первого максимума, Тs — время установления,

Мpперерегулирование

В принципе следует стремиться к минимизации следующих параметров

Время прохождения зоны нечувствительности (dead time) — время между началом изменения физической величины и моментом реакции датчика, т. е. моментом начала изменения выходного сигнала.

Запаздывание (delay time) — время, через которое показания датчика первый раз достигают 50 % установившегося значения. В литературе встречаются и другие определения запаздывания.

Время нарастания (rise time) -- время, за которое выходной сигнал увеличиваете от 10 до 90 % установившегося значения. Другое определение времени нарастания — величина, обратная наклону кривой реакции датчика на скачок измеряемой величины в момент достижения 50 % от установившегося значения, умноженное на установившееся значение. Иногда используются другие определения. Min. время нарастания всегда указывает на быструю реакцию.

Время достижения первого максимума (peak time) — время достижения первого максимума выходного сигнала (перерегулирования).

Время переходного процесса, время установления (settling time) — время, начиная с которого отклонение выхода датчика от установившегося значения становится меньше заданной величины (например, ± 5 %).

Относительное перерегулирование (percentage overshoot) — разность между максимальным и установившимся значениями, отнесенная к установившемуся значению (в процентах).

Статическая ошибка (steady-state error) — отклонение выходной величины датчика от истинного значения или смещение. Может быть устранена калибровкой датчика,

Лирическое отступление.

Погрешность и точность

Точность {accuracy) определяет разницу между измеренной и действительной величиной; она может быть отнесена к датчику в целом или к конкретному его показанию. Разрешение {resolution) —это наименьшее отклонение измеряемой величин которое может быть зафиксировано и отражено датчиком. Разрешение намного чаще, чем точность, указывается в технических описаниях. Точность датчика завис не только от его аппаратной части, но и от остальных элементов измерительного комплекса.

Погрешность (ошибка) измерения (measurement error) определяется как paзница между измеренной и действительной величинами. Поскольку действительна величина неизвестна, в произвольном случае оценку точности можно сделать на основе эталонных измерений или углубленного анализа данных.

Ошибки измерения можно классифицировать и, соответственно, моделировать, как детерминированные (или систематические) и случайные (или стохастические). Детерминированные ошибки связаны с неисправностью датчика, нарушением условий его применения или процедуры измерений. Эти ошибки повторяются при каждом измерении. Типичная систематическая ошибка — это смещение показания (reading offset) или сдвиг (bias). В принципе, систематические ошибки устраняют: при поверках (calibration). Случайные ошибки, напротив, могут иметь самое разное происхождение. В большинство случаев это влияние окружающей среды (темпер туры, влажности, электрических паводок и т. п.). Если причины случайных ошибок известны, то эти ошибки можно компенсировать. Часто влияние возмущений характеризуют количественно такими параметрами, как средняя ошибка, среднеквадратичная ошибка или стандартное отклонение и разброс либо погрешность.

Виды датчиков. Датчики положения

в качестве датчиков положения (position sensor) в течение многих десятилетий используются выключатели. Они состоят из электрических контактов, которые механически размыкаются или замыкаются, когда какаялибо переменная (положение, уровень) достигает определенного значения. Концевые выключатели (limit switch) -различных типов являются важной частью многих систем управления, надежность которых существенно зависит именно от них. Они располагаются там, где "происходит действие", и часто подвергаются большим механическим нагрузкам и токам.

На рисунке показаны нормально разомкнутый замыкающий выключатель (normally open, make-contact switch), нормально замкнутый размыкающий выключатель {normally closed, break-contact switch) и

переключатель (change-over switch) в нормалыюм положении и при срабатывании. На схемах контакты выключателя обычно изображают в нормальном положении.

Простейшим выключателем является механический нормально разомкнутый однополюсный выключатель (Single-Pole Single-Throw — SPST), показанный на рисунке (а). Простое согласование сингалов можно обеспечить с помощью нагрузочного резистора. Когда выключатель разомкнут, с резистора снимается напряжение +5 В, воспринимаемое ТТЛ-вентилем на входе компьютера как одно из логических состояний. Если контакт замкнут, выходной сигнал равен потенциалу "'земли", что воспринимается как другое логическое состояние.

Замыкание механического выключателя обычно вызывает проблемы, поскольку контакты вибрируют ("дребезжат") несколько миллисекунд, прежде чем замкнуться (рис. 6). Когда важно зафиксировать только первое касание, как в случае концевого выключателя, принимать во внимание последующие замыкания и размыкания контактов из-за дребезжания нет необходимости. Применение цепи, обеспечивающей небольшое запаздывание выходного сигнала, является одним из способов преодоления эффекта дребезжания контактов.

Существуют другие методы определения положения с помощью бинарных датчиков, некоторые из которых приведены ниже.

•Ртутные выключатели состоят из небольших герметически запаянных стеклянных трубок с контактными выводами. Трубка содержит достаточное количеств ртути, чтобы замкнуть контакты. Выключатель размыкает и замыкает при изменении положения (наклона) трубки.

•Магнитоуправляемое герметичное язычковое реле - герконсостоит из двух плоских пружин» запаянных в небольшую стеклянную трубку. Свободные концы пружин находятся друг над другом с очень небольшим зазором между ними. Когда к трубке приближается магнит, пружины намагничиваются в разных направлениях, притягиваются друг к другу и замыкаются.

•фотоэлектрические датчики выполнены из материалов, которые изменяют сопротивление или генерируют разность потенциалов под влиянием света. Во многих устройствах достаточно бинарной индикации — естьсвет или нет. Фотоэлектрический лучевой детектор состоит из источника светового луча и светочувствительного элемента. Существует много конструкций светодетекторов, которые отличаются в основном тем, отражается или прерывается световой луч фиксируемым объектом. Преимущества светодетекторов — простота, гибкость, низкая стоимость и, главное, фиксация может выполняться без непосредственного физического контакта. На базе фотоэлектрических лучевых детекторов легко строятся измерители частоты вращения, счетчики, датчики положения и т. д.

•Ультразвуковые и микроволновые датчики используются для обнаружения объектов на расстояниях от нескольких сантиметров до нескольких метров. Эти датчики работают в режиме отражения (излучатель и приемник заключены в одном приборе) или на принципе прерывания луча (излучатель и приемник расположены в разных устройствах).

Датчики движения.

Датчики движения измеряют четыре кинематические велечины : Перемещение (изменение положения , расстояния , степени приближения ) Скорость ( включая угловую)

Ускорение

Удар Для измерения параметров движения применяются следующие типы устройств:

-потенциометры для измерения перемещений; они работают как переменные резисторы;

-датчики на основе принципа электромагнитной индукции, например дифференциальные трансформаторы, резольверы, синхротрансформаторы (сельсины)

-емкостные датчики для измерения малых перемещений, вращений и уровней жидкости;

-пьезоэлектрические датчики для измерения давления, напряжения, ускорения. скорости, силы и момента (пьезоэлектрический материал деформируется под действием приложенной разности потенциалов или вырабатывает разность потенциалов при механическом воздействии);

-лазерные датчики для точного измерения малых перемещений;

- ультразвуковые датчики для измерения расстояний в медицинских приборах, системах автофокусировки фото- и телекамер, измерения уровня и скорости.

Резольвер (угол, скорость)

Резольверы (resolver) применяются в приложениях, где требуется очень точное измерение угловых перемещений и скорости, например в сервосистемах и роботах. Выходной сигнал резольвера — это мера углового перемещения; дифференцирование этого сигнала дает угловую скорость. Резольвер работает на принципе измерения взаимоиндукции между двумя обмотками .Ротор резольвера соединен с вращающимся объектом. На первичную обмотку ротора подается переменное напряжение Vref. Статор состоит из двух обмоток, развернутых на 90° друг относительно друга. Напряжение на этих обмотках

cответственно, где Θ - угловое положение ротора.

Можно сказать, что выходные напряжения Vo1 и Vo2 представляют собой напряжение Vref, промодулированное величиной угла Θ. Используя одно из выходных напряжении, можно однозначно измерить углы лишь в диапазоне 0-90", оба сигала позволяют однозначно измерять углы от 0е до 360е. Выход резольвера есть тригонометрическая функция угла. Эта нелинейность, однако, не всегда является недостатком. Например, при управлении вращающими моментами в роботах требуются именно тригонометрические функции углов поворота. Поэтому выходной сигнал резольвера можно непосредственно использовать для управления без дополнительного преобразования в реальном времени, которое увеличило бы загрузку управляющего компьютера.

Обычно резольвер дает хорошее разрешение и высокую точность. Он имеет высокий уровень выходного сигнала и низкий выходной импеданс. Полоса пропускания резольвера зависит от частоты источника напряжения. Проблемы при работе револьвера могут возникать только из-за щеток ротора (износ, дополнительные шумы и механические нагрузки). Резольвсры поставляются в виде полипфуикциональиых автономных устройств.

Тахометр

Тахометр представляет собой генератор постоянного тока с постоянными магнитами, применяемый для

измерения угловой скорости.

Магниты создают постоянное однородное магнитное поле. Движение проводника в поле индуцирует напряжение, пропорциональное скорости его вращения. Ротор непосредственно соединен с объектом, скорость вращения которого измеряется. Выходное напряжение, генерируемое в процессе вращения, снимается коллектором, который состоит из пары угольных щеток с низким сопротивлением. Тахометр обычно создает очень маленькую дополнительную механическую нагрузку для больших валов, на которые он устанавливается. Анализируя динамику тахометра, можно утверждать, что его частотный диапазон обычно значительно шире, чем у механического двигателя при его нормальной нагрузке. Поэтому

индуктивность и другие электромагнитные параметры тахометра обычно не влияют на результаты измерения.

Датчики угла (Энкодеры)

Датчик угла или преобразователь угол-код, также называемый энкодер — устройство, предназначенное для преобразования угла поворота вращающегося объекта (вала) в электрические сигналы, позволяющие определить угол его поворота.

Энкодеры подразделяются на инкрементальные и абсолютные, которые могут достигать очень высокого разрешения. Энкодеры могут быть как оптические, резисторные, так и магнитные и могут работать через шинные интерфейсы или промышленную сеть.

Инкрементальные энкодеры

Инкрементальные энкодеры предназначены для определения угла поворота вращающихся объектов. Они генерируют последовательный импульсный цифровой код, содержащий информацию относительно угла поворота объекта. Если вал останавливается, то останавливается и передача импульсов. Основным рабочим параметром датчика является количество импульсов за один оборот. Мгновенную величину угла поворота объекта определяют посредством подсчёта импульсов от старта. Для вычисления угловой скорости объекта процессор в тахометре выполняет дифференцирование количества импульсов во времени, таким образом показывая сразу величину скорости, то есть число оборотов в минуту. Выходной сигнал имеет два канала, в которых идентичные последовательности импульсов сдвинуты на 90° относительно друг друга (парафазные импульсы), что позволяет определять направление вращения. Имеется также цифровой выход нулевой метки, который позволяет всегда рассчитать абсолютное положение вала.

Абсолютные энкодеры

Абсолютные энкодеры, как оптические, так и магнитные имеют своей основной рабочей характеристикой число шагов, то есть уникальных кодов на оборот и количество таких оборотов, при этом не требуется первичной установки и инициализации датчика. Поэтому абсолютные энкодеры не теряют свою позицию при исчезновении напряжения.

Наиболее распространённые типы выходов сигнала — это код Грея, параллельный код, интерфейсы Profibus-DP, CANopen, DeviceNet, SSI, LWL, через которые также осуществляется программирование датчиков.

Оптические энкодеры

Оптические энкодеры имеют жёстко закреплённый соосно валу стеклянный диск с прецизионной оптической шкалой. При вращении объекта оптопара считывает информацию, а электроника преобразовывает её в последовательность дискретных электрических импульсов. Абсолютные оптические энкодеры — это датчики угла поворота, где каждому положению вала соответствует уникальный цифровой выходной код, который наряду с числом оборотов является основным рабочим параметром датчика. Абсолютные оптические энкодеры, так же как и инкрементальные энкодеры, считывают и фиксируют параметры вращения оптического диска.

Магнитные энкодеры

Магнитные энкодеры регистрируют прохождение магнитных полюсов вращающегося магнитного элемента непосредственно вблизи чувствительного элемента, преобразуя эти данные в соответствующий цифровой код.

Механические и оптические энкодеры с последовательным выходом

Содержат диск из диэлектрика или стекла с нанесёнными выпуклыми, проводящими или непрозрачными участками. Считывание абсолютного угла поворота диска производится линейкой переключателей или контактов в случае механической схемы и линейкой оптронов в случае оптической. Выходные сигналы представляют собой код Грея, позволяющий избавиться от неоднозначности интерпретации сигнала.

Индуктивные датчики

Индуктивные датчики – датчики, основанные на изменении индуктивности при взаимодействии с металлическим объектом, наиболее широко используются в промышленных роботах. Когда датчик приближается к ферромагнитному материалу, изменяется расположение силовых линий постоянного магнита (рис. 21.3,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. 21.4).

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.

Рисунок 21-3. Индуктивный датчик (а), форма магнитных линий при отсутствии ферромагнетика (б) и при наличии ферромагнетика в зоне измерения датчика(в)

Рисунок 21.4. 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.

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. 21.5), они способны установить наличие всех ферромагнитных материалов.

Рисунок 21.5. 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.

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.

Рисунок 22.5. 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.

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. 22.3).

Рисунок 22.3. 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.

Рисунок 22.4. Сигналы, используемые в ультразвуковом датчике измерения в ближней зоне

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.

Дискретные тактильные датчики

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

(рис. 23.1).

Рисунок 23.1. 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»).

Аналоговые датчики

Аналоговый тактильный датчик является регистрирующим прибором, выходной сигнал которого пропорционален прикладываемой силе. Простейший из таких приборов состоит из подпружиненного стержня (рис. 23.2), который механически связан с вращающейся осью.

Рисунок 23.2. 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. 23.3).

Рисунок 23.3. 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.