Классификация сенсорных устройств робота

Сенсорные устройства робота можно разделить на два класса - сенсорные устройства внутреннего состояния робота и сенсорные устройства внешней среды робота.

Сенсорные устройства внутреннего состояния робота

Устройства данного класса предназначены для управления перемещением робота и контроля за функционированием его устройств и систем. Например, исполнительные приводы, обеспечивающие работу манипуляторов и педипуляторов, используют в качестве датчиков состояния робота такие устройства, как потенциометры, дешифраторы и тахогенераторы. К сенсорным устройствам данного класса относятся также датчики давления и датчики контроля изменения значения напряжения источника питания для своевременного обнаружения нарушений в работе источников энергии, обеспечивающих функционирование робота. К сенсорным устройствам внутреннего состояния робота следует отнести и датчики наклона^*.

^* (Такие датчики пока еще не получили распространения. Однако несомненно, что в ближайшем будущем они найдут широкое применение, в частности датчики наклона, позволяющие определить уклон, например, робота, поднимающегося по лестнице.)

Сенсорные устройства внешней среды робота

Устройства данного класса служат для определения характеристик окружающей робот среды и объектов манипулирования робота. Такие сенсорные устройства позволяют в первую очередь получить данные оценки обстановки, в которой действует робот. В этот класс сенсорных устройств входят визуальные, тактильные, акустические, температурные, обонятельные датчики, а также датчики вибрации.

Классификация сенсорных устройств и датчиков по их функциональному назначению (в основном датчиков промышленных роботов) приведена в табл. 5.1. В частности, к датчикам для выполнения рабочих операций относятся специализированные датчики, ориентированные на выполнение конкретных рабочих операций в производственных условиях рабочего участка, например датчик автоматического отслеживания свариваемого стыка, используемый при дуговой сварке.

Таблица 5.1. Классификация сенсорных устройств робота

Сенсорные устройства захвата робота

Конкретный вариант сенсорного устройства захвата робота был впервые предложен Эрнстом, сотрудником Массачусетского технологического института. Им же была впервые высказана идея о структурной организации и функционировании робота с компьютерным управлением. Предложенные Эрнстом методологические принципы легли в основу создания роботов с искусственным интеллектом.

Профессора Массачусетского технологического института Шеннон и Мински в 1958 г. предложили вариант робота с управлением от ЭВМ. Эрнст, будучи в то время аспирантом этого института, воспользовался этой идеей и положил ее в основу своей докторской диссертации, посвященной разработке захвата МН-1 (сокращение от Mechanical Hand), управление движением которого осуществляла ЭВМ. Этот захват был оснащен различного типа тактильными датчиками, расположенными на внутренних и наружных поверхностях губок, причем на внутренних поверхностях губок было размещено по шесть датчиков давления на каждой поверхности, а для подтверждения наличия захвата имелись датчики внутри захвата между губками и на их передних оконечностях. Блок-схема контроллера захвата МН-1 приведена на рис. 5.1, а размещение датчиков на захвате - на рис. 5.2.

Рис. 5.1. Блок-схема контроллера захвата МН-1

Рис. 5.2. Размещение датчиков на захвате МН-1. 1 - включение датчика при соприкосновении с объектом для обнаружения объекта между губками захвата (цифровой выход); 2 - включение датчика при соприкосновении (всего шесть датчиков на двух губках захвата; обнаружение контакта с объектом с наружной стороны захвата; цифровой выход); 3 - шесть датчиков давления на резиновых пластинах для определения наличия и усилия захвата объекта губками (аналоговый выход по изменению значения сопротивления); 4 - фотодиод реагирует на приближение к темному объекту, аналоговый выход); 5 - два датчика давления на каждой губке захвата (аналогичные датчикам по позиции 3); 6 - датчик давления в нижней части шарнира запястья захвата (включен, если губки захвата лежат на поверхности стола; цифровой выход)

Тактильные сенсорные устройства

Среди возможных функций тактильных сенсорных устройств основной является подтверждение захвата объекта при выполнении операции его удерживания манипулятором. Существенное расширение возможности выполнения роботом различных технологических операций достигается установкой на внутренней поверхности губок захвата даже одиночного тактильного датчика релейного типа для подтверждения захвата объекта. Примером датчика подобного типа является тактильное сенсорное устройство, разработанное Иноуэ и др. (рис. 5.3).

Рис. 5.3. Тактильное сенсорное устройство с высокой плотностью размещения датчиков на перфорированной пластине. а - устройство тактильного датчика; б - размещение датчиков на перфорированной пластине

Для разделения контактных поверхностей датчика обычно используется губчатая резина. Многократное прогибание поверхностного слоя из этого материала при выполнении операций захвата объектов манипулятором приводит к быстрому износу губчатой резины и, как следствие, к возникновению ложных срабатываний датчика (сигнал срабатывания датчика выдается при недостаточном усилии захвата объекта). Подобное явление можно избежать, используя в качестве материала контактов электропроводящую резину (рис. 5.4). При зажимании объекта губками захвата с датчиком такой конструкции металлические выступы с внутренней стороны поверхностного слоя резины вдавливаются в слой электропроводящей резины, резко меняя ее электрическое сопротивление, что приводит к формированию сигнала наличия контакта от участка поверхности губок, контактирующего с объектом манипулирования.

Рис. 5.4. Тактильный датчик на электропроводящей резине. 1 - резина; 2 - металл; 3 - электропроводящая резина; 4 - металлическая фольга; 5 - выводы; 6 - подложка

Когда функция тактильного датчика ограничивается подтверждением захвата объекта манипулятором, то практически не возникает никаких проблем. Однако совсем иная ситуация наблюдается при попытках использования тактильных датчиков для таких целей, как, например, определение положения объекта в захвате, обобщенное представление о форме этого объекта и т. д. В таких случаях возникает необходимость в группе тактильных датчиков, которые должны быть размещены определенным образом на контактных поверхностях губок захвата. При этом основной проблемой создания тактильного сенсорного устройства становится обеспечение высокой плотности размещения тактильных датчиков на ограниченной площади контактной поверхности. Типичный пример тактильного сенсорного устройства со сравнительно высокой плотностью размещения датчиков приведен на рис. 5.3. Основным недостатком такого устройства является сравнительно большое время срабатывания датчиков, обусловленное их конструкцией - наличием расстояния между контактной поверхностью штыря и поверхностным слоем (металлическая фольга) губки. Это время, отсчитываемое с момента касания объектом губки захвата до момента выдачи сигнала сенсорным устройством, тратится на прогиб поверхностного слоя губки до его соприкосновения с контактом штыря. Использование недостаточно мягкого типа губчатой резины также затрудняет срабатывание датчика при малых усилиях захвата.

Одна из проблем создания тактильного сенсорного устройства связана с влиянием веса удерживаемого губками объекта на поверхностный слой тактильного датчика. Этот слой должен быть достаточно прочным для обеспечения нормальной работы под действием непрерывно деформирующих его поверхность усилий. Исходя из этих соображений, конструкции датчиков, приведенные на рис. 5.3 и 5.4, нельзя считать целесообразными при манипулировании тяжелыми предметами.

На рис. 5.5 показано устройство тактильного датчика, предложенного Накано и др. Выступ в форме штыря (чувствительный элемент датчика) может перемещаться в цилиндрическом канале поверхностного слоя губки захвата; он слабо подпружинен к поверхности губки захвата спиралью из электропроводящего материала, так что при отсутствии объекта манипулирования незначительная часть штыря выступает над поверхностью губки. При контакте с объектом выступающая часть штыря утапливается в цилиндрический канал и сжимает пружину (ее упругость определяет усилие срабатывания датчика). Сигнал о наличии контакта передается по цепи поверхностная подложка - штырь - спираль - внутренняя подложка. Пока объект не давит на поверхность губки, уровень электрического потенциала между подложками имеет значение, соответствующее состоянию "1". При вдавливании штыря объектом манипулирования контакт между поверхностной подложкой и штырем нарушается и значение напряжения между подложками меняется, что соответствует переходу датчика в состояние "0". Переход датчика из одного состояния в другое, по существу, не требует времени, так же как и в случае конструкции, приведенной на рис. 5,3: в момент вдавливания штыря датчик выдает соответствующий электрический сигнал. Такая конструкция датчика (поверхностная подложка одна либо с покрытием из материала типа линолеума и внутренняя подложка) исключает также проблему удержания веса объекта - датчик в состоянии сам удерживать вес объекта манипулирования.

Рис. 5.5. Конструкция быстродействующего тактильного сенсорного устройства с высокой плотностью размещения датчиков на пружинах из электропроводного материала. 1 - штырь; 2 - линолеум; 3 - подложка

Главной проблемой создания тактильного сенсорного устройства, конструкция которого приведена на рис. 5.5, является миниатюризация узла, включающего штырь, подпружиненный спиралью из электропроводящего материала. Указанная проблема исключается в случае модернизированного варианта подобной конструкции (рис. 5.6), поскольку состояние датчика "1" или "0" определяется электрической емкостью между контактным штырем и нижней подложкой. Иначе говоря, спираль из электропроводящего материала (рис. 5.5) заменяется на губчатую резину, в результате чего состояние датчика определяется степенью погружения штыря, а не наличием или отсутствием соответствующего контакта. Однако такой способ требует большого количества цепей измерения емкости, что ведет к увеличению себестоимости изготовления тактильного сенсорного устройства. Тот факт, что объект манипулирования в этом случае удерживается всей поверхностью тактильного сенсорного устройства, а не датчиком, является существенным достоинством такого варианта очувствления захвата робота.

Рис. 5.6. Конструкция тактильного сенсорного устройства с использованием губчатой резины

На рис. 5.7 приведен еще один из возможных вариантов упрощения конструкции, показанной на рис. 5.6. Отдельные участки внешней поверхности резины 3 покрыты слоем более эластичной электропроводящей резины 2. При захвате объекта в этом случае усилие сжатия можно контролировать по электрическим показателям, поскольку продавливание слоя 2 приводит к снижению электрического сопротивления слоя в этом участке, а следовательно - уменьшению сопротивления между соответствующими выводами 6, 7.

Рис. 5.7. Тактильное сенсорное устройство с высокой разрешающей способностью на основе электропроводящей резины

Местоположение участка поверхности тактильного сенсорного устройства (рис. 5.3-5.7), с которого поступает электрический сигнал срабатывания соответствующего датчика, определяется с помощью обычной матричной схемы.

В новых тактильных датчиках предполагалось использовать графитовые волокна. Дело в том, что в приведенных выше примерах применялась электропроводящая резина, несмотря на опубликованные результаты исследований по созданию и изучению характеристик тактильных датчиков и датчиков давления с использованием углеродистой губчатой резины. Однако характеристики таких датчиков оказались недостаточно стабильными. Устройство датчика давления с использованием прокладок из графитовых волокон, а также зависимость его электрического сопротивления от нагрузки приведены на рис. 5.8 и 5.9. Использование смолы для связки графитовых волокон в прокладке обеспечивает малый вес при большой прочности такой конфигурации датчика. По мере наращивания усилия на такое вещество все больше соседних волокон вступают в контакт, увеличивая тем самым число электропроводящих путей. Это приводит к падению электрического сопротивления и соответственно к снижению амплитуды выходного сигнала тактильного датчика либо датчика давления.

Рис. 5.8. Датчик давления, работающий по принципу изменения сопротивления прокладки из графитовых волокон под действием давления (электрическое сопротивление 40 Ом при отсутствии нагрузки). 1 - направление действия силы; 2 - передний плоский электрод; 3 - прокладка из графитовых волокон; 4 - задний плоский электрод; 5 - выводы

Рис. 5.9. Зависимость электрического сопротивления датчика давления с прокладкой из графитовых волокон от прикладываемого к датчику усилия

В Массачусетсом технологическом институте был разработан и исследован тактильный датчик с электропроводящей резиной, упрочненной кремниевыми волокнами. Полосы сложного профиля^* из такой резины перекрещиваются под прямым углом с металлическими электродами (рис. 5.10). Изменение омического сопротивления участков резины под действием прикладываемой нагрузки позволяет использовать ее для создания тактильного датчика (рис. 5.11). Вариант выполнения такого датчика в виде матричной структуры показан на рис. 5.12.

^* (D-образный профиль в поперечном сечении.)

Рис. 5.10. Принцип работы тактильного датчика, использующего резину, упрочненную волокнами кремния. 1 - чувствительный элемент (преобразователь); 2 - выходной сигнал; 3 - металлический электрод; 4 - полоса резины

Рис. 5.11. Изменение амплитуды выходного сигнала датчика под действием прикладываемой нагрузки

Рис. 5.12. Пример матричного варианта выполнения датчика на кремниевой резине, упрочненной волокнами кремния

Тактильные сенсоры на наружной части губок схвата

Тактильные сенсоры на наружной части губок схвата могут быть реализованы по рассмотренному выше принципу (рис. 5.3, 5.4 и 5.8), поскольку в этом случае не требуется высокой плотности размещения датчиков. Один из примеров эффективного использования такого датчика показан на рис. 5.13. При наличии препятствия на траектории предполагаемого перемещения схвата с объектом из точки А в точку В тактильный датчик на наружной стороне схвата, обнаружив это препятствие в точке Q, после незначительного возвратного перемещения схвата инициирует поисковое обходное движение до точки b с последующим отслеживанием границ препятствия в точках с, d, e, а после обхода препятствия - возврат на исходную траекторию и последующее перемещение до точки В.

Рис. 5.13. Пример использования тактильного датчика на наружной стороне схвата для обхода препятствия на траектории планируемого движения схвата. 1 - тактильные датчики; 2 - препятствие; 3 - планируемая траектория движения схвата

Такие датчики могут быть также использованы для определения местоположения объекта при отсутствии систем технического зрения. На рис. 5.14, а показан пример поиска объекта на поверхности стола, когда заранее известно о наличии этого объекта. После того как тактильный датчик на наружной стороне схвата обнаружил препятствие (объект), осуществляется переход к операции по его захвату. Эта операция может быть выполнена, например, в виде последовательности микроопераций (или шагов), как это показано на рис. 5.14, б. При поступлении сигнала соприкосновения с объектом от тактильного датчика на правой губке схвата 1 последний обходит объект с противоположной стороны 5 и приближается к нему до поступления аналогичного сигнала от левого датчика 6. На основании подобного определения местоположения левого и правого краев объекта датчиком на наружной стороне схвата последний устанавливается на прямой, проходящей через предполагаемый центр объекта 9, и определяет границы объекта тактильными датчиками, установленными на передних краях губок 10. При поступлении сигнала о контакте с объектом от этих датчиков схват отводится назад, его губки раздвигаются и осуществляется захват объекта 13, 14.

Рис. 5.14. Обнаружение местоположения и границ объекта. а - поиск объекта на поверхности стола; б - подготовка к захвату объекта после уточнения относительного местоположения

Известно много случаев выполнения более сложных операций до определению местоположения и формы объектов тактильными датчиками с разнообразным их размещением на схвате.

Датчики давления

При использовании искусственных пальцев (губок схвата) для захвата объектов различного типа, например хрупких (стакан, яйцо) или нехрупких, но тяжелых (деревянные бруски, железо), усилие схвата объекта необходимо регулировать в зависимости от его свойств и массы. В этом случае для управления удерживающим усилием требуются такие датчики давления, как тензометрические, датчики в виде различных комбинаций пружин, потенциометров и трансформаторов; датчики, в которых используется принцип изменения электрического сопротивления электропроводящей резины или резины, упрочненной волокнами кремния, под действием давления.

Датчики первого и третьего типа используются также в качестве тактильных датчиков. Пример конструкции датчика давления приведен на рис. 5.15. Датчик содержит линейный потенциометр, подпружиненный шток которого может совершать возвратно-поступательные перемещения в подшипнике скольжения. Величина перемещения штока зависит от усилия захвата объекта, приложенного к верхней (рабочей) площадке, и жесткости пружины. Механическое перемещение преобразуется потенциометром в изменение величины электрического напряжения, которое пересчитывается вычислительной машиной в величину исходного усилия захвата.

Рис. 5.15. Датчик давления в виде комбинации пружины 1, подшипника скольжения 2 и потенциометра 3

Была показана возможность использования сочетания датчика давления рассмотренного выше типа и группы тактильных датчиков (рис. 5.5). Последние размещаются на рабочей площадке датчика давления для определения направления действия силы, возникающей при контакте губок схвата с объектом. Классификация объектов по жесткости (рис. 5.16) учитывает два фактора: момент срабатывания только тактильных датчиков (или их части) при сжатии губок и момент деформации формы объекта под действием нарастающего усилия сжатия. В соответствии с рис. 5.16 имеем

Предположив, что t₁ = t'₂, t₂ = t'₁, и введя дополнительные обозначения l - l' = Δl, х₁ + х₂ = х, х'₁ + х'₂ = х', получим

Тогда жесткость объекта можно определить с помощью выражения

Рис. 5.16. Способ классификации объектов по жесткости с использованием тактильных датчиков и датчиков давления. 1 - пружины датчика давления; 2 - тактильные датчики; 3 - объект

При захвате твердого тела оно не деформируется и сжимаются только пружины датчика давления. Если объект очень мягкий, пружины практически не сжимаются, а "сжимается" объект, т. е. деформируется по форме. Следовательно, при известном усилии сжатия губок схвата и определенном Δl жесткость объекта можно оценить по величине Δε.

Датчик давления такой конструкции работает надежно и точно, но имеет сравнительно большие массогабаритные характеристики. Кроме того, особенности этой конструкции не позволяют найти технологические решения проблемы миниатюризации датчика и, таким образом, обеспечить высокую плотность размещения таких датчиков.

Датчики давления, в которых используются физико-механические свойства материалов, разрабатываются на базе материалов, чувствительных к давлению, таких, например, как электропроводящая резина или барочувствительная пластмасса. Обычно работа датчика основывается на эффекте изменения электрического сопротивления под действием давления. Электроды в этом случае размещаются либо на обеих поверхностях барочувствительного материала, либо только на нижней его поверхности (рис. 5.17, а).

Рис. 5.17. Способ определения давления по изменению электрического сопротивления. а - двухстороннее расположение электродов (r₀ > r); б - одностороннее расположение электродов (r₀ > r)

Тактильное чувство человека позволяет ему распознавать вес, размеры, положение, форму, твердость и гладкость поверхности объекта. Использование свойства барочувствительной электропроводящей резины изменять электрическое сопротивление в зависимости от приложенного давления позволяет в известной степени имитировать восприятие первых трех из перечисленных выше характеристик объекта, даже не предъявляя требования высокой плотности размещения группы датчиков давления такого типа. Был предложен способ измерения местоположения центра тяжести и величины прикладываемого усилия в случае датчиков давления на барочувствительной электропроводящей резине. Согласно этому способу, при точечном усилии на поверхность барочувствительной электропроводящей резины с двухсторонним расположением электродов координаты точки приложения усилия и его величина определяются по значениям выходных сигналов, снимаемых с электродов по четырем противоположным направлениям (рис. 5.18, а). Конфигурация барочувствительной пластины с электродами может быть произвольной (рис. 5.18, б), однако использование пластины квадратной формы значительно упрощает получение данных.

Рис. 5.18. Датчик для определения местоположения центра тяжести и величины нагрузки. 1 - сила; 2 - барочувствительная электропроводящая резина; 3 - электроды

Датчики скольжения (проскальзывания)

Человек чрезвычайно экономно расходует свою энергию, осуществляя захват и перемещение объекта. Например, перед выполнением каких-либо манипуляций со стаканом, наполненным водой, человек оценивает на вид размер стакана и количество содержащейся в нем жидкости, определяет ориентировочно величину и вес стакана. Все это он проделывает, опираясь на свой житейский опыт. Исходя из этой априорной информации, он сжимает стакан с усилием, необходимым только для его удержания. Человек регулирует усилие сжатия стакана, исходя из его веса, и уменьшает усилие до минимально необходимого, при котором стакан не проскальзывает между пальцами. Подобный метод захвата и удерживания объекта схватом манипулятора был использован в датчике запястья схвата с целью мгновенной оценки массы объекта манипулирования. Эффективным оказалось также применение датчиков проскальзывания на губках схвата, имитирующих обнаружение кожным покровом руки человека малейшего проскальзывания объекта под действием его веса.

Разработан ряд датчиков проскальзывания для управления схватом робота, имеющих конструкцию, подобную приведенной на рис. 5.19, б. Как следует из рисунка, объект манипулирования удерживается в схвате роликом, слегка выступающим с внутренней стороны одной из губок. Ролик может прокручиваться, но не свободно из-за пружины, препятствующей его вращению. Угол поворота ролика автоматически определяется с помощью запрессованного в него магнита и неподвижной магнитной головки. Такая конструкция датчика проскальзывания позволяет определять вес объекта по величине его проскальзывания при сжатии объекта губками. На этом же рисунке показан датчик давления (тензодатчик на внутренней стороне противоположной губки) для регулирования усилия захвата объекта.

Рис. 5.19. Система управления схватом робота с использованием датчика проскальзывания. а - система управления; б - устройство датчика: 1 - ролик; 2 - магнит; 3 - магнитная головка; 4 - датчик проскальзывания; 5 - тензодатчик; 6 - датчик давления; в - зависимость выходного сигнала датчика от величины его линейного смещения