7.3. Датчики для измерения состояния окружающей среды (датчики внешней информации)

7.3.1 Тактильные датчики роботов

Тактильные датчики роботов имитируют осязательную способность руки человека. Они позволяют решать следующий круг задач:

- обнаружение контакта с объектом (датчик контакта);

- определение координат и площади контактного пятна;

- измерение силы сжатия захвата;

- регистрация распределения силового воздействия по площади пальцев;

- определение ориентации объекта зажатого в захвате;

- обнаружение направления проскальзывания и измерение смещения предмета;

- определение механических свойств предметов по степени их деформации;

- распознавание объектов из заданного класса по их тактильному образу.

По измеряемым параметрам взаимодействия захвата с объектом манипуляции тактильные датчики можно разделить на три группы:

а) датчики касания;

б) датчики контактного давления;

в) датчики проскальзывания.

Датчики касания и контактного давления предназначены для измерения одной и той же физической величины – действующей силы. Различие между ними в том, что датчики касания имеют порог срабатывания (релейные датчики сил), а датчики контактного давления такого порога не имеют и способны реагировать на изменение давления в определенном диапазоне.

Датчики касания и давления могут быть выполнены в виде отдельных элементов или в виде матрицы с высокой плотностью размещения элементов. Отдельные датчики обычно размещают на внешних поверхностях захвата. Регистрация прикосновения или измерение давления в местах контакта пальцев захвата с поверхностью объекта обеспечивает возможность его опознания, определение ориентации относительно захвата, силы сжатия захвата и фиксации проскальзывания объекта относительно пальцев. В последнем случае используются также специальные датчики проскальзывания.

Исторически первыми тактильными датчиками были обычные концевые микровыключатели (рис.7.22.).

Рис. 7.22.

Позже вместо микровыключателей стали применять герконы (рис 7.23.).

Рис. 7.23.

Матрица датчиков касания может иметь следующую конструкцию (рис 7.24.).

Рис. 7.24.

1 – тонкая стальная пластина;

2 – упругое покрытие;

3 – электрический контакт;

4 – электрическая подложка.

Контакты в матрице установлены с высокой плотностью с межцентровым расстоянием 2,5 мм, тонкая пластина 1 имеет полусферические мембраны напротив каждого электрического контакта. В исходном положении за счет давления воздуха, подаваемого в пальцы захвата, полусферические мембраны выгнутые в сторону упругого покрытия матрицы. Когда пальцы касаются объекта, полусферические мембраны, в местах касания, деформируются и переходят в выгнутое положение, замыкая соответствующие электрические контакты.

Поиск более надежных материалов для тактильных датчиков привел к появлению тактильных датчиков на основе эластомеров. Конструкция датчика из проводящего силиконового каучука предельно проста (рис.7.24). Два электрода размещают так, что под действием давления электроды прижимаются друг к другу. Электроды изготавливаются из проводящего силиконового каучука. Площадь контакта электродов под действием давления увеличивается, а сопротивление падает. График типичной зависимости выходного сигнала от действующей силы показана на рисунке 7.25.

Рис. 7.24.

Рис. 7.25.

В качестве материала для тактильных датчиков могут быть использованы углеродные нити, каждая из которых представляет собой пучок, состоящий из нескольких тысяч волокон диаметром от 7 до 30 мкм. Электрическое сопротивление контакта в месте пересечения двух нитей при отсутствии действующей силы имеет значение порядка 2 кОм. Под действием нагрузки сопротивление падает плавно.

Отдельную группу тактильных датчиков составляют датчики проскальзывания предмета в захвате. Необходимость в таких датчиках возникла в связи с применением роботов для манипулирования хрупкими объектами или предметами с легкоповреждаемой поверхностью. Информация о проскальзывании необходима для управления силой сжатия захвата поддерживания ее на том минимальном уровне, при котором объект еще надежно зажат и в тоже время сила сжатия недостаточна для разрушения объекта. На рис 7.26. показан индукционный датчик проскальзывания.

Рис.7.26.

Он состоит из корпуса, резинового валика (ролика) с постоянным магнитом и магнитной головкой. При проскальзывании объекта валик проворачивается, постоянный магнит перемещается относительно магнитной головки и на выходе магнитной головки появляется ЭДС. Она зависит от величины проскальзывания и скорости проскальзывания.