TRADUCTOARE, SENZORI SI SISTEME SENZORIALE

Robotul, prin specificul sau, este un sistem complex ce executa un numar insemnat de actiuni impuse intr-un mediu de lucru caracterizat printr-o diversitate larga de parametrii definiti prin legi mai mult sau mai putin cunoscute. Altfel spus, un robot trebuie sa execute un numar mare de miscari in concordanta cu sarcinile tehnologice impuse in diverse conditii determinate de specificul mediului sau de operare si sa-si modifice corespunzator caracteristicile fnctionale odata cu modificarile survenite in factorii interni sau externi in spatiul carora activeaza. Deci, un sistem robotic trebuie sa fie autoadaptiv, sa posede capacitatea de a-si modifica legile de miscare in concordanta cu modificarile mediului.

Realizarea acestui deziderat impune introducerea in orice sistem de conducere a robotilor a unor dispozitive speciale, senzori, care sa asigure informatiile primare privind caracteristicile si parametrii mediului de operare. Ansamblul acestor dispozitive si echipamente, ce ofera robotului o imagine a lumii externe in care evolueaza si care permite acestuia sa realizeze o comportare adaptiva fata de orice modificari interne sau externe, formeaza sistemul senzorial al robotului.

Complexitatea oricarui echipament senzorial este direct legata de functia tehnologica ce trebuie executata. Pentru un robot destinat unor operatii de vopsire, o miscare corecta va fi realizata numai prin simpla masurare a parametrtilor traiectoriei cu senzori sau traductori de deplasare, in timp ce unui robot utilizat in operatii de asamblare ii vor fi necesari, in plus, senzori tactili sau sisteme de vedere artificiala. Se poate remarca de asemenea faptul ca, in primul caz, sistemul senzorial ofera informatii ce reprezinta parametrii intrinseci ai robotului (deplasare, viteza, acceleratie) in timp ce in al doilea caz acesta defineste caracteristicile obiectelor din imediata vecinatate a spatiului de operare. Apare, deci, o prima clasificare importanta a acestor sisteme, siseme pentru identificarea perametrilor interni si respectivi externi ai robotului.

Capitolul de fata va studia detaliat aceste doua clase mari de sisteme senzoriale punand accentul atat pe analiza senzorilor utilizati in diferite echipamente cat si pe dispozitivele de prelucrare primara a informatiei rezultate si a algoritmilor specifici ce permit interpretarea ei.

1. Senzori pentru masurarea parametrilor interni

Orice functie tehnlogica impusa unui robot cere executarea unei miscari dupa o traiectorie data. Obtinerea acestei traiectorii necesita, la randul ei, cunoasterea in orice moment a pozitiei, vitezei si uneori a acceleratiei elementelor sistemului mecanic. Aceste date reprezinta informatia caii de reactie a sistemului de conducere si asigura corectitudinea realizarii traiectoriei programate.

Informatiile privind pozitia, viteza si acceleratia sunt obtinute prin sisteme de masurare specifice, desemnate in mod curent sub denumirea de traductoare de pozitie, viteza si respectiv acceleratie. Aceste sisteme nu reprezinta o caracteristica proprie robotilor astfel incat metodele de masurare ca si dispozitivele respective sunt aceleasi ca cele utilizate in comenzile numerice ale masinilor unelte. Din acest motiv, ele vor fi denumite in continuare ca traductoare de masura.

1.1. Masurarea pozitiei

Aceste traductoare convertesc o deplasare a elementelor mobile intr-un semnal electric compatibil cu prelucrari numerice ulterioare. In cele ce urmeaza vor fi trecute in revista principalele traductoare de deplasare utilizate precum si caracteristicile lor de baza.

a) Traductoare analogice. Masurarea analogica a pozitiei este cel mai simplu sistem de masurare. In figura 1 sunt reprezentate doua sisteme, unul pentrru deplasari liniare iar celalalt pentru deplasari unghiulare.

Conectarea cursorului potentiometrului la elementul mobil permite masurarea unei tensiuni,

(1)

Figura 1

In mod similar, pentru deplasari unghiulare rezulta,

(2)

In general, masurarea liniara rezistiva nu este indicata. Masurarea unghiulara este utilizata datorita simplitatii solutiei si pretului de cost foarte mic. Cu toate acestea, trebuie subliniat faptul ca aceste sisteme dau erori mari iar rezolutia masurarii este scazuta.

b) Traductoarele numerice. Traductoarele din aceasta categorie convertesc marimea masurata, deplasarea, intr-un numar N corespunzator numarului de cuante de deplasare echivalent cu distanta parcursa. Dupa modul in care este redat acest mumar N se disting doua tipuri de traductoare: incrementale la care ultima pozitie atinsa este obtinuta din pozitia precedenta prin cumularea cu numarul de cuante corespunzatoare deplasarii si absolute in care numarul de cuante este codificat intr-un cod adecvat.

Traductoare incrementale liniare. Principiul de functionare al acestor traductoare se bazeaza pe impartirea domeniului de masurare intr-un numar de cuante elementare si contorizarea acestora simultan cu deplasarea elementului mobil. Elementul de baza la aceste sisteme este rigla de masura (fig. 2.). Constructia riglei de masura depinde de principiul utilizat. Sunt folosite frecvent doua sisteme: inductosinul liniar sau rigla optica.

Inductosinul liniar este de fapt transpunerea in plan a unui selsin multipolar la care rotorul este o rigla a carei lungime trebuie sa acopere domeniul de masurare [61] iar statorul este un cursor ce se deplaseaza deasupra riglei. Rigla are o singura infasurare iar cursorul - doua infasurari, ambele realizate cu acelasi pas dar decalate cu .

Figura 2

Cele doua infasurari ale statorului sunt alimentate cu tensiuni de forma:

la iesire, pe infasurarea riglei fiind obtinuta tensiunea

unde x este pozitia relativa intre rigla si cursor in cadrul unui pas. Deci, cota totala se calculeaza cu o relatie de forma,

Figura 3

Masurearea pozitiei va fi realizata in doua etape, o contorizare a semipasilor p/2 urmata de o masurare a fazei semnalului in cadrul unui pas. Considerand o realizare tehnologica cu pasul p al riglei de ordinul mm, masurarea fazei determina obtinerea unei precizii pana la ordinul micronilor. Aceste sisteme de masura au, de asemenea, avantajul unei deosebite robusteti tehnologice.

Masurarea liniara cu rigle optice se bazeaza pe marcarea pasilor de masura cu zone opace si transparente pe suport (rigla) corespunzator. Un sistem optic adecvat permite captarea unui semnal electric la fiecare pas parcurs de elementul mobil. Detectia primara este realizata de un sistem de fotocelule dispuse dupa o anumita lege in jurul unei axe de citire.

In figura 3 este prezentat un sistem cu patru fotocelule cu un decalaj egal cu , una in raport cu cealalta. Se obtine astfel o multiplicare a numarului impulsurile realizate la fiecare pas, deci o precizie de patru ori mai ridicata. Mai mult, tinand cont de ordinea de formare in timp a semnalelor a doua fotocelule vecine se poate construi un circuit care identifica sensul de deplasare al elementului. In acelasi timp, compararea semnalelor provenite de la fotocelule permite eliminarea zgomotelor parazite determinate fie de perturbatii externe de natura electrca, fie datorate vibratiilor mecanice ale sistemului [17,61]. Desi in general cresterea numarului de fotocelule ofera avantaje privind in special precizia masurarii, aceasta determina in acelasi timp, o marire substantiala a complexitatii echipamentului optic astfel incat se prefera sisteme cu doua sau patru fotocelule.

Pentru interpretarea distantei masurate, semnalele furnizate sunt contorizate cel mult intr-un circuit ce constituie interfata pentru echipamentul de conducere numeric. Un astfel de sistem este prezentat in figura Elementul principal este un numarator ce acumuleaza impulsurile, dupa o prelucrare prealabila a acestora intr-un amplificator de putere si un circuit formator.

Figura 4

Valoarea masurata este stocata intr-o memorie tampon dupa care este captata intr-un procesor numeric ce controleaza intregul proces. Trebuie subliniata simplitatea sistemului de prelucrare numerica, caracteristica ce face ca intotdeauna masurarea incrementala sa fie preferabila altor proceduri, in general mai precise dar mult mai complexe.

Traductoare incrementale unghiulare.

Elementul sensibil la aceste traductoare il constituie un disc cuantificat, fiecare increment unghiular masurabil determinand rezolutia sistemului. Ca si in cazul masurarii liniare si aici se utilizeaza doua tipuri mai importante de sisteme: cu inductosin si cu disc optic.

Figura 5

Discul optic este un disc de sticla pe care se imprima cu acelasi pas unghiular zone opace (figura 5). Captarea semnalelor se obtine cu un numar de senzori fotoelectrici dispusi convenabil. Cea mai utilizata procedura de masurare contine doi senzori decalati cu pentru generarea impulsurilor de numarare si asigurarea protectiei la citire si un senzor ce emite un singur semnal, la fiecare rotatie a discului, utilizat pentru initializarea ciclului de numarare. Circuitul de prelucrare numeric are aceeasi structura ca si cel utilizat la masurarea liniara (figura 4), fotocelula servind in plus la contorizarea ciclurilor de rotatie complete.

In unele sisteme de masurare, discul optic este inlocuit cu discuri cu contact. Pe un astfel de disc este dispusa o coroana circulara inmpartita in zone conductoare si izolate. Zonele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixa la un inel colector care serveste ca punct de alimentare electrica. O perie colectoare exploreaza coroana circulara la fiecare rotatie a discului, la trecerea peste zonele conductoare obtinandu-se semnnale electrice. Cu toate ca implica o tehnologie relativ simpla, sistemul este putin utilizat datorita uzurii produse in timp, la zonele de contact, de periile aflate in miscare.

Traductoare absolute liniare.

Traductoarele din aceasta categorie sunt construite pe sistem optic si au ca element de baza o rigla de masurare a carei valori cuantificate sunt exprimate intr-un cod absolut. Codificarea se face in cod binar natural, binar codificat zecimal sau Gray. Primele doua coduri sunt familiare utilizatorilor si ofera facilitati in prelucrarea numerica a marimilor masurate in schimb pot determina aparitia unor erori la trecerea de pe o pozitie pe alta datorita schimbarii simultane a mai multor ranguri binare.

Codul Gray elimina acest neajuns dar implica circuite numerice specializate pentru calculele ulterioare.

Figura 6

In figura 6 este prezentata o rigla absolut codificata in cod binar natural cu patru piste , fiecare pista fiind asociata unui rang binar. Pista are cea mai fina marcare si defineste rezolutia sistemului de masurare. Fiecarei piste i se atribuie un senzor de citire, o fotocelula, semnalul furnizat de acesta reprezentand coeficientul binar al rangului respectiv.

De exemplu, in 6, a, cota X masurata este echivalenta cu,

unde:

Figura 7

Ansamblul locatiilor senzorilor de pe flecare pista determina o axa de citire. Pentru realizarea unei bune citiri a codului riglei se impune o pozitionare corecta si riguros centrica a axei de citire in cadrul fiecarui increment de deplasare. Sistemul discutat se refera la masurarea pozitiei prin intermediul unei singure axe de citire. Anumite facilitati de citire si in special eliminarea unor erori datorita pozitionarii incorecte a axei de citire sunt obtinute prin utilizarea a doua axe de citire. In mod curent sunt utilizate doua metode: metoda dublei testari si citirea in V.

Cele doua metode sunt reprezentate in figurile 6 a,b si c. In metoda dublei testari cele doua axe sunt paralele si situate la distanta . Citirea este realizata dupa urmatorul algoritm: daca fotocelula     citeste bit 0 pe pista , atunci pentru citirea pistelor urmatoare sunt selectate numai fotocelulele axei 2, iar daca pe pista se citeste bit 1 atunci pistele sunt citite prin fotocelulele axei 1.

Justificarea procedurii poate fi obtinuta din figura 7,a. In functie de bitul citit pe rangul se pot identifica doua zone optime de citire, in cadrul fiecarei zone bitii tuturor rangurilor avand aceeasi valoare. Cele doua zone sunt axate la o distanta egala cu fata de fotocelula si sunt distribuite in sensul cresterii valorii binare, daca citeste 0 si in sensul descresterii valorii binare, daca citeste 1.

Citirea in V extinde aceste observatii prin analiza mai amanuntita a zonelor optime asociate fiecarui rang binar. Se poate observa ca in codurile binare naturale, pentru flecare bit 0 citit pe rangul i exista biti identici pe rangul distribuiti ponderat in sensul cresterii valorii binare, iar pentru flecare bit 1 citit pe rangul i exista biti identici cu pondere in sensul descresterii valorii binare. In figura 7,b este justificata aceasta observatie pentru o pozitie arbitrara a dispozitivului de citire. Citirea bitului 1 pe determina existenta a doi biti identici 1 pe pista distribuiti in sensul descresterii valorii binare iar acestia determina pe alti patru biti identici, biti 0, in acelasi sens, pe pista urmatoare existand 16 biti 0 identici ponderat distribuiti in sensul cresterii valorii binare.

a    b

Figura 8

Din aceasta analiza se poate obtine regula de citire: daca pe o pista, fotocelula activa citeste bit 0, pe rangul urmator este selectata fotocelula axei 2, iar daca se citeste bit 1, pe rangul urmator este selectata fotocelula axei 1. Procedura poate fi urmarita pe exemplul din figura 7,c.

Traductoare absolute unghiulare.

Aceste traductoare sunt realizate dupa acelasi principiu ca si traductoarele liniare, numarul de cuante unghiulare [17,61] corespunzatoare unei anumite pozitii, unghi, fiind codificat dupa unul din codurile precizate anterior.

unde N, in cele (m+1) ranguri ale unui cod binar natural, are forma

In figura 8 sunt prezentate doua discuri, unul codificat natural, iar celalalt in cod Gray.

Fiecare pista circulara este citita de cate o fotocelula dupa aceleasi proceduri ca si in traductoarele liniare. Trebuie subliniat fatul ca intrucat ponderea articulatiilor de rotatie este mai mare decat al celor de translatie [62] in robotii industriali, aceste sisteme de masurare au o foarte larga utilizare.

1.2. Masurarea vitezei

Cunoasterea vitezei elementelor mobile ale unui robot este un factor extrem de important in realizarea unei legi de conducere corespunzatoare. Dupa cum se va vedea in capitolul urmator, reglajul dupa viteza este o parte integranta din sistemul general de reglare al robotului.

Figura 9

Masurarea vitezei este obtinuta plecand de la premiza ca aceasta marime reprezinta variatii de distanta, masurata la intervale egale de timp. Deci, masurarea vitezei se obtine din masurarea pozitiei.

In mod curent, se utilizeaza doua procedee de calcul a vitezei, ambele derivand din masurarea incrementala a pozitiei: se masoara numarul de impulsuri ce reprezinta cuantele de deplasare parcurse intrt-un interval de timp dat, sau se poate masura timpul necesar pentru obtinerea unui impls de pozitie (increment).

Cele doua metode sunt reprezentate in figurile 9a si b. In prima procedura, un generator de tact GT emite semnale periodice de durata T. Viteza este apreciata prin numarul de impulsuri emise de fotocelula de pozitie in intervalul respectiv. Metoda are dezavantajul solicitarii unui timp T suficient de mare pentrru acumularea nui numar de impulsuri corespunzator unei precizii dorite ceea ce constituie un inconvenient in masurarea vitezelor mici.

A doua metoda (expusa in figura 9b) calculeaza numarul de impulsuri furnizate de generatorul de tact, de perioada T, cuprinse pe durata unui semnal al fotoceelulei . Solutia aceasta reprezinta o metoda mult mai precisa implicand insa dezavantajul unei depasiri a sistemului de numarare in cazul sistemelor lente sau daca, de exemplu, elementul masurat este imobil.

Figura 10

In figura 10 este prezentat un circuit pentru masurarea vitezei prin contorizarea numarului de impulsuri ale generatorului de referinta in intervalul unui impuls emis de fotocelula sistemului incremental al pozitiei.

Componenta de baza a acestui circuit este un numarator N ce acumuleaza impulsurile furnizate de generatorul de tact prin borna C. Functia de numarare este permisa numai daca semnalul fotocelulei amplificat si sincronizat intr-un circuit de sincronizare CS valideaza aceasta functie la borna CLR. Dupa incheierea operatiei de numarare (la sfarsitul intervalului , fig. 9.b) numaratorul N se blocheaza iar continutul sau este transferat intrtun registru tampun R si trecut ulterior in procesul de control. Un circuit de intarziere si porti logice suplimentare asigura decalarea in timp necesara acestor functiuni si logica de transfer. In cazul in care miscarea este foarte lenta (sau elementul este imobil), impulsurile acumulate in numarator depasesc continutul acestuia, un bit de depasire este generat si activeaza circuitul de control CC. Acesta determina o functie de incarcare paralel (activarea bornei L) a unei configuratii de intrare particulare, de exemplu vectorul 1111. Captarea acestui cuvant de catre procesor va constitui o indicatie asupra acestei stari particulare a elementului masurat.

2. Senzori pentru masurarea parametrilor externi

Realizarea unei strategii corecte de conducere, in conditiile in care robotul intra in contact nemijlocit cu obiecte externe, impune existenta unui sistem senzorial dezvoltat care sa identifice:

1. Prezenta obiectului la contactul nemijlocit cu robotul (detectia robotului);

2. Punctele de contact cu obiectul (localizarea obiectului);

3. Caracteristicile punctelor de contact, evaluarea fortelor si momentelor ce iau nastere in punctele de contact.

Contactele realizate intre elementul terminal al robotului si obiect pot fi clasificate in urmatoarele categorii:

a) contacte intr-un punct (sau un numar mic de puncte) care permit aprecierea pozitiei in raport cu obiectul, forta de apasare in punctul respectiv etc, si care pot asigura o miscare dorita in imediata vecinatate a obiectului;

b) contacte realizate simultan intr-un numar mare de puncte, un camp de puncte, informatia obtinuta fiind suficienta pentru identificarea formei obiectului.

Tinind cont de tipul informatiei obtinuta prin contact, senzorii pot fi impartiti in:

senzorii tactili care redau informatii privind, in general, proprietatile geometrice ale corpurilor;

senzori forta - moment numiti si senzori de stres care determina cantitativ fortele sau momentele exercitate in zonele de contact.

In continuare, vor fi analizate detaliat principalele tipuri de sisteme senzoriale utilizate insistandu-se atat asupra caracteristicilor principale si performantelor realizate cat si asupra tehnologiei lor de fabricatie.

2.1. Senzori tactili

Sistemele tactile ofera robotului posibilitatea de a palpa, a 'pipai' obiectele. In principiu, acesti senzori convertesc deformarea produsa asupra suprafetei sau punctului de contact intr-un semnal electric.

In figura 11 este prezentat un astfel de senzor. Elementul principal il constitue un palpator P aflat initial intr-o pozitie de echilibru mentinuta printr-un sistem de resoarte. Contactul cu suprafata unui obiect determina deplasarea palpatorului si stabilirea unui contact electric cu bornele de culegere a semnalului electric. Aceste dispozitive pot detecta apropierea (contactul) cu un obiect fie pe o anumita directie impusa (fig. , a) fie dupa o directie arbitrara (fig. 11, b).

Figura 11

O clasa aparte de senzori tactili faciliteaza operatiile de asamblare. O problema specifica acestui gen de operatii o constituie axarea corecta a elementului terminal in orificiul de montaj in scopul evitarii deteriorarii prin asamblare. Operatiile robotizate de asamblare se realizeaza in doua moduri: asamblarea prin contact pasiv (miscare complianta pasiva) si asamblare activa (miscare complianta activa) [17,39,62].

In primul tip de asamblare robotul nu detecteaza si nu masoara erorile de asamblare, elementul terminal al acestuia fiind suficient de elastic pentru a realiza, prin deformare proprie, asamblarea. In figura 12 este prezentata aceasta asamblare pasiva. In prima faza robotul se apropie de orificiul de montaj si datorita dezaxarii initiale se produce deformarea terminalului, deformare care permite in final introducerea corecta in orificiu.

Figura 12

Este evident ca in acest caz nu este vorba de un sistem senzorial propriu-zis, dar acest sistem constitue punctul de plecare in dezvoltarea unui senzor specializat. Acest senzor se bazeaza pe masurarea deformarii in sistemul de resoarte al terminalului si corectarea pozitiei terminalului robotului pina ce eroarea detectata de senzor se anuleaza, deci axele de montaj coincid. Intreaga procedura este desemnata ca asamblare si este prezentata in figura 13. Se observa deformarea produsa prin forta F de contact cu obiectul. Aceasta deformare este masurata, amplificata si determina rotirea terminalului, prin momentul M aplicat, pina cind senzorul indica anularea deformarii. Deci, legea de miscare impusa robotului tinde sa anuleze efortul asupra senzorului sau, folosind o terminologie utilizata din ce in ce mai mult, sa elimine 'stresul asupra miinii'. Privit din acest punct de vedere, un astfel de senzor poate fi considerat totodata si ca senzor de forta.

Figura 13

2.2. Senzori tactili in retele matriceale

In sistemele analizate contactul robotului cu obiectul se realizeaza, in general, intr-un singur punct. Pentru obtinerea unei 'imagini' mai complete a obiectului se impune stabilirea unui contact intr-o retea de puncte, dispuse intr-o maniera ordonata, care sa permita o captare si o interpretare eficienta a semnalelor prelucrate. De fapt aceste retele matriceale de senzori tactili cauta sa imite celulele tactile ale miinii omului atit in ceea ce priveste cantitatea de informatie captata cat si modul de explorare a acesteia. Din acest motiv, anumite sisteme senzoriale de acest tip, realizate dupa o anumita tehnologie, sunt desemnate ca 'piele artificiala'.

Tehnologia de realizare a acestor sisteme este extrem de diversificata. Se utilizeaza frecvent cauciuc conductor, cauciuc continind particule de carbon, cauciuc siliconic cu grafit, fibre de carbon, polimeri piezoelectrici etc.

Cerintele principale impuse acestor tipuri de senzori sunt: greutatea mica, dimensiuni reduse, constante de timp mici la deformare (revenire rapida), rezolutie inalta etc.

In cele ce urmeaza, vor fi expuse detaliat principalele tipuri de retele senzoriale tactile utilizate in aplicatii robotice.

1. Retele senzoriale electrooptice. Sistemul propus de Hill si Sword [63] si dezvoltat in [139,64] se bazeaza pe constructia unei matrici senzoriale realizata din celule activate prin dispozitive fotoelectrice. Structura unei celule este prezentata in figura 14,a. Elementul sensibil este obtinut prin blocarea sau deblocarea fluxului luminos emis de sursa S si captat de fotocelula F. Semnalul fotocelulei este prelucrat ulterior si interpretat logic.

O caracteristica deosebita a sistemului este robustetea acestuia, deplasarea butonului B prin contactul cu un obiect nu antreneaza nici-un element intr-o miscare mecanica. Aceasta proprietate a permis realizarea unei retele matriceale de butoane montate direct pe terminalul robotului, griper. In general, sistemele de acest fel contin retele de 18 - 30 puncte care pot da si informatii asupra formei obiectului, zonei contactate.

2. Retele senzoriale de tip rezistiv. Sistemele senzoriale din aceasta categorie se bazeaza pe conversia deformarii mecanice intr-o variatie a rezistentei electrice a zonei limitrofe punctului de contact [39,65]. Configuratia de baza a unor astfel de sisteme consta din doua retele paralele de electrozi, dispuse ortogonal una in raport cu cealalta, intre retele fiind plasat un material cu rezistenta variabila la efort (figura 15,a)

Figura 14

Avantajul principal al acestor dispozitive rezida in simplitatea constructiva a solutiei tehnologice, electrozii creind ei insisi reteaua. Numarul de puncte de contact depinde de densitatea de implementare a electrozilor dar in mod curent se pot obtine 256 - 1000 puncte. Citirea informatiei continuta in retea se realizeaza prin explorarea matricei de puncte pe linie si coloana si determinarea rezistentei punctului adresat (fig.15,b). Propriu-zis aceasta inseamna alimentarea succesiva la un potential impus a barelor orizontale (fig.16). Un comutator electronic , de frecventa ridicata comuta succesiv potentialul sursei SA pe barele , la fiecare adresa ADR X emisa de procesor si stocata in registrul de adresa RA. Pentru o adresare fixa pe barele , printr-un sistem de multiplexare MUX, sunt captate pe rind iesirile liniilor verticale [prin ADR Y]. In general, viteza de explorare a unei retele cu 256 elemente senzitive este de circa 1 MHz ceea ce da o rata de testare a fiecarui punct de 4 kHz, suficienta pentru aplicatiile robotice curente.

Materialul utilizat in configuratia retelei este realizat in diferite tehnologii: cauciuc incarcat cu particule de carbon, materiale polimer specifice, elastomeri, polimeri amestecati cu pudra ceramica etc.

Figura 15

3. Retele senzoriale cu fibre de carbon. Principiul de functionare al acestor sisteme senzoriale este tot rezistiv, modificarea rezistentei unui material impregnat cu fibre de carbon reprezentind elementul sensibil al retelei [166]. Avantajul utilizarii acestor materiale consta in sensibilitatea foarte mare a senzorilor, absenta zgomotului in retea, un histerezis neglijabil etc.

Retelele de acest tip sunt construite in doua variante: structura sandvici si retea cu adresare zonala. Prima varianta este prezentata in figura 17,a. Materialul cu fibre de carbon este comprimat intre o placa metalica (pe care se exercita apasarea) si o placa suport izolatoare. Pe aceasta placa sunt dispuse intr-o retea matriceala zone circulare conductoare, ce servesc pentru captarea semnalului de iesire. Placa metalica este conectata la un potential electric astfel incit curentul depinde de rezistenta zonala a materialului, deci de efortul aplicat. In figura 17,b este prezentata caracteristica generala a sistemului, dependenta tensiunii masurata pe iesire in functie de presiunea, efortul exercitat.

In figura 18 este prezentat al doilea sistem. Materialul din fibre de carbon este segmentat pe zone, fiecare zona putind fi adresata printr-un decodificator de adresa ce activeaza tranzistorul zonei. Circuitul emitorului fiecarui tranzistor se inchide prin zona senzitiva specifica, curentul rezultat putand fi masurat cu un amplificator de iesire.

Figura 16

Sistemul ofera avantajul unei observari precise a zonelor de contact folosind o tehnica simpla, compatibila cu o interfatare numerica catre un procesor specializat.

Retele senzoriale magnetorezistive.Tehnologia magnetorezistiva de implementare a acestor senzori este preferabila in multe cazuri datorita senzitivitatii mari a acestor dispozitive, domeniului larg de forte aplicate, raspunsului liniar la efort, densitatii de implementare mari etc [67,68].

Elementul sensibil este un material special de tip permalloy [Ni - Fe] care isi modifica rezistenta prin cimp magnetic. Structura unei celule este prezentata in fig.19,a. Elementul permalloy este montat pe un substrat de . Deasupra, elementului si izolat de acesta prin folii si straturi de cauciuc se gasesc conductoarele ce genereaza cimpul magnetic H. Intregul element este imbracat in cauciuc. Daca elementul este necomprimat, cimpul magnetic creat in zona elementului permalloy este slab. Printr-o deformare a celulei, conductorul este adus in imediata vecinatate a elementului determinind o crestere a intensitatii cimpului magnetic in zona si, deci, o modificare a rezistentei acestuia, liniar cu H.Sistemul de detectie al semnalelor in retea este prezentat in figura 19,b.

Figura 17

Figura 18

Un generator de impulsuri GI asigura prin impulsuri rectangulare de o anumita frecventa excitarea continua a elementelor de permalloy. Curentii in conductoare sunt realizati de un generator G si dirijati pe fiecare linie printr-un comutator K adresabil. Rezistenta fiecarei zone se poate localiza prin selectia liniei (comutatorul K) si a coloanei printr-un multiplexor de iesire MUX ce identifica o anumita coloana.

Realizarea constructiva a retelei impune respectarea unor anumite dimensiuni, in special distanta dintre conductor si elementul permalloy apreciata la cca 0,1 - 0,5 mrn. Densitatea de implementare este suficient de ridicata, retelele uzuale continand 8x8 celule pe o suprafata de (25 x 25) mm².

Figura 19

5. Retele senzoriale magnetostrictive. Un material magnetic este magnetostrictiv daca cimpul sau magnetic se modifica prin forte mecanice aplicate pe suprafata sa. Un senzor de acest tip este construit dintr-un material cu proprietati magnetice izotrope si care sub efectul unor forte devine anizotrop.

De exemplu, pentru asa-numita magnetostrictiune pozitiva, o comprimare a materialului determina o reducere a permeabilitatii pe directia efortului si o crestere pe directia normala. Ca urmare, inductia magnetica rezultanta isi va schimba directia cu un unghi , deci un flux indus intr-o infasurare va determina aparitia unei tensiuni proportionale cu forta aplicata.

Figura 20

In figura 20,a este prezentat principiul de functionare al unui astfel de senzor. Se remarca modificarea liniilor de cimp produse de o infasurare primara, deci modificarea componentelor induse in infasurarea secundara [69]. Intreaga retea senzoriala se poate urmari in figura 20,b. Fiecare zona de contact este reprezentata prin cele doua infasurari ortogonale. Localizarea punctului este obtinuta prin controlul alimentarii infasurarilor primare legate la cite o linie a matricei si prin selectarea la iesirea a cite unei singure coloane, deci captarea semnalului indus de pe o singura infasurare secundara, cea asociata punctului (zonei) adresate. Aceste operatii sunt realizate prin doua circuite demultiplexor - multiplexor completate de amplificatoare de curent pe intrare si iesire, respectiv.

Figura 21

Sistemele senzoriale de acest tip isi gasesc o larga utilizare datorita citorva proprietati specifice cum ar fi: durabilitate si robustete datorita absentei oricaror elemente in miscare, sensibilitate redusa in raport cu temperatura, liniaritatea caracteristicii intrare - iesire, histerezis redus, senzitivitate mare etc.

O structura similara o au senzorii de tip magnetoelastic [70], functionarea lor fiind bazata tot pe modificarile liniilor de cimp ale unei infasurari primare sub efectul unei forte aplicate unui material specific (magnetoelastic).

6. Retele senzoriale piezoelectrice. Senzorii piezoelectrici se bazeaza pe formarea, la anumite materiale, a unor sarcini electrice sub efectul unei forte aplicate pe suprafata materialului. Aceste sarcini sunt rezultatul polarizarii dipolilor moleculari ca urmare a apasarii mecanice. Principiul constructiv al unui astfel de senzor este reprezentat in figura 21.

Materialul piezoelectric este dispus in doua straturi, intre doua tipuri de placi, o placa centrala, o folie de aluminiu legata la pamint (cu rol de electrod) si doua placi metalice cu rezistenta uniform distribuita, la exterior. Forta se exercita asupra acestor placi si determina aparitia sarcinilor electrice pe suprafata lor. Pentru captarea acestor sarcini si localizarea punctului de contact, pe fiecare placa exterioara sunt dispusi cate doi electrozi, o pereche permite localizarea pe axa X si alta pe axa Y. Fiecare electrod este legat la un amplificator operational cu o capacitate pe reactie.

In functie de pozitia punctului de contact pe axa X, capacitatile se vor incarca cu sarcini diferite. Analog, pe axa Y vor apare incarcari diferentiale pe si . Masurarea sarcinilor de pe aceste capacitati, deci indirect masurarea tensiunilor la iesirea amplificatoarelor, va permite o localizare exacta a contactului mecanic [171].

Figura 22

7. Retele senzoriale cu fototranzistori. Principiul de: functionare al acestui dispozitiv se bazeaza pe conversia deformarii mecanice intr-o informatie optica [62, 72. 73]. In figura 22 este prezentata structura de baza a unei retele de acest tip. Reteaua propriu-zisa este o matrice de fototranzistori ce constitue suprafata de receptie a semnalului optic. Deasupra acestei retele este montat un strat de material M transparent, cu indice de refractie mare, care permite o reflexie interna totala a luminii. In mod normal se utilizeaza folii de acryl, material ce confera proprietati de conductie interna a luminii practic totale. Deasupra acestui strat se dispune o membrana de cauciuc siliconic cu o suprafata zimtata si care constitue suprafata de contact cu obiectul palpat.

Pe partea laterala a foliei de acryl se monteaza o sursa de lumina care poate fi obtinuta si cu un ghid de fibre optice. Daca suprafata de contact nu este perturbata de atingerea cu un obiect, reflexia luminii in folie este totala, reteaua de fototranzistoare fiind uniform intunecata. In contact cu un obiect, deformarea produsa de membrana externa determina o deviere a fascicolului luminos si o zona a retelei fotodetectoare devine mai intens luminata (figura 22,b). Localizarea punctului de contact se obtine prin identificarea fototranzistorului (sau a fototranzistorilor) activati.

Figura 23

In figura 23 este prezentata configuratia circuitului de control al retelei. Fiecare fototranzistor al matricei este selectat prin adrese corespunzatoare pe linie si coloana aplicate unui multiplexor si respectiv unui decodiflcator. Selectia coloanei se realizeaza prin portile P activate de decodificator. Coloanele neactivate au portile P cu iesire de nivel 0, ceea ce determina punerea la masa a colectorilor tuturor fototranzistorilor legati la coloana respectiva. Coloana activata corespunde portii P cu iesire de nivel logic 1 ceea ce asigura alimentarea coloanei. Selectia liniei se obtine prin adresarea multiplexorului de iesire.

8. Retete senzoriale cu detectie tridimensionala. Sistemele senzoriale discutate au abordat problemele identificarii plane. In. foarte multe aplicatii, problema recunoasterii formelor obiectelor este o problema de recunoastere in cele trei coordonate X, Y, Z. Existenta unei a treia coordonate Z pe care sa se obtina informatii tactile complica sistemul senzorial sl impune tehnologii specifice de implementare a senzorilor. Unele din cele mai izbutite retele senzoriale de acest tip sunt cele introduse de Page [17] si dezvoltate ulterior de Sato [174].

Sistemul respectiv este format dintr-o retea de elemente de tip "palpator" cu elementul sensibil realizat pe principiu inductiv. In figura 24 este prezentat principiul de functionare al acestui element.

suport

Figura 24

Palpatorul poate culisa pe axa Z producind deplasarea unul miez magnetic si modificind inductanta infasurarilor. Pentru o pozitie de echilibru (nivel Z=0) cele doua infasurari in secundar dau tensiunile , in opozitie de faza. Orice deplasare intr-un sens sau altul determina o anumita decalare a fazelor tensiunilor din secundar.

Figura 25

Detectia pe axa Z este combinata cu o detectie plana pe XY prin utilizarea unei matrici senzoriale cu 8 x 8 elemente. In figura 24,b este reprezentata dispunerea celor 8 elemente senzitive de pe axa X, ele incadrind conturul obiectului palpat si definind concomitent cotele punctelor de contact.

2.3. Senzori de forta

Determinarea fortei de apasare, de contact, intre mana robotului si obiect, este o problema extrem de importanta in special in operatiile de asamblare, unde controlul dupa forta, conducerea complianta, reprezinta o procedura necesara pentru obtinerea unor performante tehnologice corespunzatoare.

Din acest motiv, eforturile intreprinse pentru gasirea unui sistem senzorial adecvat au fost numeroase, acestea axindu-se pe masurarea indirecta a fortei prin masurarea efectelor ei asupra unor componente elastice sau ai unor parametri electrici sau magnetici din circuit. Intrucit conversia fortei in parametri electro-magnetici a fost discutata la retelele senzoriale, se va trata in continuare un senzor de forta bazat pe masurarea deformarilor elastice [62,75,17|.

Dispozitivul senzorial este prezentat in figura 25. Elementele sensibile sunt reprezentate de citeva sfere din materiale de tip elastomer montate intre baza dispozitivului si un element de contact, palpator. Dimensiunile sistemului sunt astfel proiectate incit capatul palpatorului, punctul 0 sa reprezinte centrul de complianta al dispozitivului. In acest fel, o forta aplicata intr-o directie determina o deflexie numai pe directia respectiva. Deci, masurarea deformatiei respective este o masura directa a fortei sau altfel spus, matricea de transfer ce defineste legatura intre vectorul deformarilor si vectorul componentelor fortelor este o matrice diagonala.

De exemplu, considerind un sistem cu patru sfere montate pe axele X,Y (figura 25 b) rezulta

O astfel de masurare este numita decuplata si este extrem de avantajoasa pentru calculul numeric ce finalizeaza masurarea.

Pentru masurarea deformarilor se utilizeaza un sistem electrohidraulic ca cel prezentat in figura 26, sferele sunt pline cu un lichid, circuitul fluidic al fiecarei sfere fiind controlat de cite un electroventil EV. Aceste electroventile formeaza de fapt un circuit de multiplexare hidraulic controlat printr-un decodificator de adrese D. Un traductor analogic presiune - curent (P/I) masoara presiunea creata prin deformare intr-o sfera, semnalul respectiv fiind ulterior convertit numeric de un convertor analog - numeric si introdus in procesorul de control.

Sistemul, in ansamblu, ofera o serie de avantaje dintre care mentionam: simplitatea masurarii, robustetea dispozitivului, precizie si sensibilitate ridicata, integrarea simpla intr-un sistem de control numeric etc.

Figurea 26

2. Senzori forta - moment

Calculul complet al fortelor si momentelor ce intervin la contactul cu obiectul se poate obtine prin montarea unui terminal senzitiv ca cel prezentat in figura 27 [62,39.17].

Procedura de calcul se bazeaza pe masurarea deformarilor produse asupra elementelor respective. Aceasta masurare se poate realiza dupsi tehnici piezoelectrice, magnetostrictive, magnetorezistive etc, de tipul celor discutate mai sus. In functie de aceste valori, fortele si momentele se obtin dupa o relatie de forma,

.

Figura 27

In formula de mai sus, sunt coeficientii matricei de transfer, specifici pentru fiecare terminal. Configuratia acestei matrici indica clar faptul ca procedura de calcul este nedecuplata, fiecare componenta de forta sau moment fiind determinta de citeva variabile de deplasare .