Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace taktilní 2 17.SPEC-tak.2. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY T- MaR Další pokračování Taktilní snímače 2 o taktilních snímačích v prezentaci jsou použity informace a obrázky z časopisu AUTOMA

3 Taktilní senzory pro měření a automatizaci snímače s tenzometry + různé praktické principy a aplikace

4 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s tenzometry 2 T- MaR Senzory s tenzometry jsou založeny na měření deformace prvků robota aktivní silou např. při uchopení předmětu. Je nutné nalézt na měřeném předmětu reprezentativní místo, kde umístěné tenzometry budou měřit deformaci způsobenou měřenou fyzikální veličinou nemusí to být jen síla, tlak, teplota,. VR - ZS 2011/2012

5 T- MaR snímače s tenzometry Jako převodník síly na elektrický signál (= čidlo), se použije drátkový, fóliový nebo polovodičový tenzometr nalepený na sledovaný namáhaný díl, popř. se použijí čidla síly běžné produkce. Takto lze vytvořit senzor síly působící v daném místě nebo detekovat celkovou působící sílu. VR - ZS 2011/2012

6 T- MaR snímače s tenzometry VR - ZS 2011/2012

7 T- MaR snímače s tenzometry Příkladem snímače používaného v robotice k současnému měření úchopné normálové a smykové síly je dvousložkový snímač typu DOTS (Double Octagon Tactile Sensor). Snímačem typu DOTS lze měřit i velké síly s velkou citlivostí, a to při lineární závislost mezi působící silou a výstupem ze snímače. - obr. následuje

8 T- MaR snímače s tenzometry Vlastnosti velký dynamický rozsah měřených hodnot velmi malá přesnost cca 10% - velká nevýhoda velmi nízká cena a snadná dostupnost. Typická tloušťka cca 250 μm. Velké i mini plošné rozměry. - obr. následuje

9 T- MaR snímače s tenzometry 1 normálová síla F τ Princip uspořádání snímače typu DOTS (Double Octagon Tactile Sensor δ AP δ AF smyková síla F τ až 12 tenzometry δ BF δ BP 12 VR - ZS 2011/2012

10 Taktilní senzory pro automatizaci 2 T- MaR snímače s kapacitním prvkem U kapacitních senzorů se nejčastěji využívá změna společných ploch elektrod, deskových nebo častěji ve tvaru souosých válců. Měří se vlastně deformace pružného členu se známými mechanickými vlastnostmi při působení síly. Pružný člen je obvykle vložen mezi elektrody - jindy může být jedna elektroda fixovaná a druhá spojená s pružným členem.

11 T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci snímače s vakuovou diodovou vrstvou

12 T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci snímače s piezoeletrickými prvkem Pro převod síly na elektrický signál lze použít i piezoelektrický jev. Jako piezoelektrický materiál se nejprve používal křemen - nověji se používají i další materiály s podobnými vlastnostmi = piezoelektrická keramika (BaTiO 3, PbTiO 3, PbZrO 3 a niobáty) nebo polyvinylidenfluorid (PVDF 2 ), apod.

13 Taktilní snímače 1 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR - změnou tlaku na piezokrystal se mění náboj na elektrodách krystalové vrstvy - náboj je snímán a měřen - slouží pro měření velmi malých tlaků

14 Taktilní snímače 1 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR

15 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR

16 snímače s piezoeletrickými prvkem (materiálem) T- MaR Odpor mezi elektrodami je 845 Ω. Střední hliníková elektroda je spojena s nulovým potenciálem a elektrody na horní a dolní straně senzoru jsou připojeny k nábojovým zesilovačům.

17 Taktilní snímače 1 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR

18 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR Převodní charakteristika snímače je v měřicím rozsahu 0 až 50 N blízká lineární při odpovídající změně napětí z asi 710 na 680 mv přičemž citlivost je 0,68 mv*n 1 popř. při změně frekvence z 825 na 880 khz. Nedostatkem je velký vnitřní odpor, který vyžaduje velmi vysoký vstupní odpor vyhodnocovacích obvodů řádově 1*10 12 Ω.

19 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR Rezonátorem ve snímačích je piezokeramický prvek s rozměry mm z materiálu PZK rezonátor je řídícím členem Colpittsova oscilátoru. Využívá se změna činitele jakosti obvodu. Zavedená síla vyvolá pokles amplitudy rezonančních kmitů piezorezonátoru. Vyhodnocovat lze také změnu rezonanční frekvence, neboť se zatížením se mění kapacita rezonátoru. Jsou konstrukčně velmi jednoduché s malými rozměry senzoru.

20 snímače s piezoelektrickými vrstvami T- MaR Piezoelektrické snímače jsou vhodné pro snímání dynamických sil (vibrací). Při snímání pomaleji se měnících sil je nutné používat speciální zesilovače s velmi velkým vstupním odporem (tzv. nábojové). Byly vyvinuty snímače schopné měřit statickou sílu bez nábojového zesilovače novější konstrukce jej již obsahují.

21 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s vakuovou diodovou strukturou T- MaR VR - ZS 2013/2014

22 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s ultrazvukovým prvkem T- MaR

23 snímače s ultrazvukovým prvkem T- MaR

24 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s kapacitním prvkem 2D dotykové displeje T- MaR

25 snímače s kapacitním prvkem T- MaR

26 snímače s kapacitním prvkem T- MaR

27 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s optickými vlákny Optický vláknový senzor je tvořen optickým vláknem, v němž vnější vlivy působící na obal vlákna modulují procházející světlo. Lze měnit jeho amplitudu, fázi, polarizaci nebo spektrální vlastnosti. Optický senzor je napájen zdrojem světla (laser, laserová dioda, LED). Velikost změny způsobené měřenou veličinou je analyzována detektorem.

28 snímače s optickými vlákny Optické vláknové senzory nejsou citlivé na vnější elektro-magnetická pole a umožňují přenášet informaci mezi objekty s rozdílnými elektrickými potenciály v širokém pásmu kmitočtů a na velké vzdálenosti.

29 snímače s optickými vlákny V taktilních senzorech se nejčastěji využívá změna amplitudy procházejícího světla. Tu lze ovlivnit několika způsoby: změnou okrajových podmínek šíření světla v optickém prostředí (např. mikroohyb), změnou vzájemné optické vazby, změnou tlumení, změnou přechodu a odrazu světla.

30 Taktilní senzory pro automatizaci snímače se změnou přechodu a odrazu světla U těchto čidel se využívá změna energie odrážené od reflexní vrstvy do snímacího vlákna s detektorem. Síla působí na část s reflexní vrstvou a mechanické vlastnosti senzoru jsou dány mechanickými vlastnostmi deformovaného materiálu, např. pružinové oceli. Obdobně lze uspořádat reflexní čidlo - zdrojová i snímací vlákna jsou umístěna paralelně pod průsvitným elastomerem, který umí měnit své optické vlastnosti.

31 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s optickými vlákny se vzájemnou optickou vazbou Na obou jeho vláknech v místě dotyku je odstraněn plášť - tím jsou odhalena jádra, která přicházejí do vzájemného kontaktu. Při vhodně navržených parametrech (délka styčné plochy vláken, úhel jejich křížení) ovlivňovaných působící silou, ovlivňuje se těsnosti vzájemné vazby, pak přechází úměrná část energie z prvního vlákna do druhého. Ke zdroji světla je připojeno první optické vlákno a k detektoru druhé. VR - ZS 2013/2014

32 snímače s optickými vlákny se vzájemnou optickou vazbou čidlo s deformačním členem síla, teplota,. deformační člen od zdroje světla k detektoru světla

33 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s optickými vlákny se změnou útlumu Obsahují průsvitný člen vřazený do optického vlákna, který vlivem vnějšího prostředí mění své optické vlastnosti - samo optické vlákno není ovlivňováno a je určeno jen k vedení světelné energie. Nejčastěji se používají k měření teploty, kdy optické vlastnosti průsvitného členu jsou závislé na teplotě.

34 snímače s optickými vlákny se změnou útlumu síla deformační člen od zdroje světla k detektoru světla síla

35 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s mikro-ohybem vlákna Využívá se porušení podmínky úplného vnitřního odrazu, např. na rozhraní mezi jádrem a pláštěm optického vlákna. Porušení lze dosáhnout buď změnou geometrie (zakřivení) vlákna nebo změnou poměrů indexů lomu.

36 snímače s mikro-ohybem vlákna Při ohýbání optického vlákna pod kritický poloměr stává porušení podmínky pro vidy vyšších řádů a dochází k průniku světla do pláště optického vlákna. Tyto vidy se mohou dále šířit podél optického vlákna jako plášťové vidy nebo mohou uniknout do okolního prostředí. Tím klesá intenzita světla šířícího se jádrem optického vlákna.

37 Ohybová deska Optické ztráty Senzory s mikroohybem vlákna Optické vlákno Síla Uspořádání optického taktilního čidla se změnou útlumu (čidlo s deformačním členem)

38 snímače s mikro-ohybem vlákna Uspořádání maticového taktilního snímače složeného ze senzorů s mikroohybem optického vlákna ukazuje další obrázek. Nedostatkem snímače je potřeba velkého počtu zdrojů a zejména detektorů světla, neboť každé vlákno musí mít svůj vlastní zdroj a detektor, které navíc musí být multiplexovány. Vždy smí svítit jen jeden zdroj a snímat jen jeden detektor (smí být aktivován jen jeden řádek a jen jeden sloupec).

39 síla Senzory s mikroohybem vlákna síla Uspořádání optického taktilního čidla snímače s optickými vláknovými senzory s mikroohybem

40 Taktilní senzory pro automatizaci Podobně představují příležitost pro aplikování taktilních čidel a snímačů jsou v kombinaci se speciálními konstrukcemi využívajícími, tzv. inteligentní (smart) textilie.

41 Taktilní senzory pro automatizaci U zdravotně postižených lidí lze taktilní údaje využívat jako dodatečný zdroj informace. Například existuje vibrační opasek pro zrakově postižené nebo při pohybu v těžkém a nepřehledném terénu (prales, poušť,.) - je popsaný na webu Opasek je spojen s modulem GPS, na němž si uživatel nastaví polohu místa, kam směřuje. Směr, kterým se má ubírat, je určen vibracemi příslušného motoru z vibračních motorů umístěných na opasku.

42 Je známo i mnoho dalších možností, např. speciální oblek pro piloty vojenských letadel informující pilota o různých stavech prostřednictvím vibrací 93 Aerodynamická měření různých objektů, např. letadel nebo postoje lyžařů či cyklistů, kdy proudící vzduch vytváří tlak na povrch objektů, jenž je snímán právě taktilními snímači

43 Taktilní senzory pro automatizaci V průmyslu se s taktilní informací pracuje nejdéle a nejčastěji v robotice. Proto se další informace o aplikacích dotýkají oblasti robotiky - tímto směrem se v současnosti upírá největší zájem. Úchopové prvky manipulátorů a robotů jsou jejich základní a nejdůležitějších částí. Zpočátku byly taktilní snímače používány jen k indikaci uchopení předmětu úchopnou hlavicí, později k řízení úchopu, měření prokluzu a popř. k přesnému nastavování polohy objektů.

44 Některé z taktilních snímačů jsou vhodné jen pro úchopné hlavice robotů, některé lze použít též jako určitou náhradu lidského hmatu. To je zřejmě jedna z největších oblastí uplatnění. Dnešní situace v oblasti taktilních snímačů je výrazně ovlivňována pokrokem ve znalostech a praktických aplikačních možnostech celé oblasti nanotechnologií.

45 Zdaleka však není uspokojivě vyřešen problém při nasazení v oblasti smykových senzorů, a to jak pro roboty, tak především pro náhradu hmatu. Smyslová náhrada (při praktických aplikacích např. u robotických prstů či umělé lidské ruky) jen tlakem na taktilní snímač totiž k plnohodnotné funkci nestačí. U aplikací použitelných přímo pro člověka, je zde navíc ještě problém s připojením k jeho nervovému systému.

46 Taktilní senzory pro automatizaci Podrobněji o využití taktilních zařízení v robotice. V blízké budoucnosti se očekává výrazné rozšíření servisních robotů, které mají poskytovat všestrannou pomoc a podporu lidem v nejrůznějších oblastech, např. v nebezpečných prostorech (chemicky či radioaktivně zamořených nebo jinak životu nebezpečných prostředích), v krizových a různých havarijních situacích, při péči o nemocné a handicapované osoby, při rehabilitacích, dokonce i jako pomocníci v domácnosti. Aplikační oblast skutečně obrovská a široká.

47 Aby se roboty mohly pohybovat v přirozeném prostředí vytvořeném pro člověka, musí být vybaveny dostatečně výkonným řídicím systémem s využitím umělé inteligence, učících se systémů, principů a aplikací fuzzy a selské logiky (systémy vágního řízení vágně definovaných systémů), energeticky úspornými výkonovými prvky a systémy + výkonnými a přesnými čidly a snímači.

48 V mnoha případech je nezbytná univerzální antropomorfní úchopná hlavice. Hlavice mohou být tříprsté až pětiprsté, vybavené různými typy senzorů. Tříprstá antropomorfní úchopná hlavice (ruka) se senzory typu DLR vhodná k použití v průmyslu je popsána

49 Dále je na uveden popis čtyřprsté antropomorfní hlavice, jejíž poslední články jsou osazeny taktilními senzory DLR a každý kloub je opatřen senzorem momentu. Do ruky jsou spolu se senzory kompletně integrovány pohony a výkonová a komunikační elektronika. Ruka je aktivně ohebná a schopna činnosti v neznámém prostředí, včetně navazování kontaktu s lidmi. Při zkouškách se v praxi osvědčila robustní, stabilní a rychlá inteligentní úchopná hlavice, která dokáže mnoho třeba přenést šálek kávy.

50 Antropomorfní čtyřprstá hlavice se senzory DLR v akci s míčkem VR - ZS 2013/2014

51 Taktilní snímače -VÝBĚR

52 Taktilní snímače -VÝBĚR Hlavice určené pro obrábění (frézování, vrtání, broušení) nebo pro měření

53 Taktilní snímače -VÝBĚR Hlavice s transformačním blokem, převádějící energii rotačního pohybu (např. elektromotor) na kyvný pohyb úchopných prvků

54 Taktilní senzory pro automatizaci Vrchol využití umělé inteligence v robotice představuje měkký interaktivní lidský robot RI-MAN, vyvinutý v Rikenu, Bio-Mime-tic Control Research Centru v Japonsku

55 Robot má schopnost uvědomit si lidskou péči a plnit sociální úkoly a může se stát neocenitelným partnerským robotem. Komunikuje lidským hlasem, je opatřen čichovým orgánem a dvěma kamerami snímá okolní scénu, v níž se dokáže orientovat v reálném čase, reaguje na povely, jejichž význam si uvědomuje a analyzuje a podle nichž přizpůsobuje svou činnost.

56 Povrch robota je měkký, příjemný na dotyk. Robot je vybaven taktilními senzory pro biologickou zpětnou vazbu. Je určen pro práci v nemocnicích, sociálních zařízeních, při manipulaci s pacienty a při ošetřování a obsluze.

57 Interaktivní lidský robot RI-MAN v činnosti s figurínou pacienta VR - ZS 2013/2014

58 K naplnění tohoto cíle musí být v první řadě vybaven schopností oboustranné komunikace lidským hlasem se schopností reagovat na povely, jejichž význam si uvědomuje a obsahově analyzuje a podle nichž přizpůsobuje svou činnost navíc má určité reakce a určitá konání natvrdo a neovlivnitelně předprogramovány (chování ve vybraných a krizových situacích a v chování vůči člověku aplikace tzv. robotických zákonů).

59 K prostorové polohové i funkční orientaci musí být (a prototyp skutečně je takto vybaven) dále opatřen čichovým orgánem a dvěma kamerami ke snímání okolní scény pro prostorovou a směrovou orientaci pohybu. Další významnou schopností je veškerá orientace včetně následných reakcí v reálném čase. Robot je vybaven taktilními senzory pro biologickou zpětnou vazbu.

60 Taktilní údaje jako dodatečný zdroj informace využití je např. u zdravotně postižených lidí --- existuje vibrační opasek pro zrakově postižené, Opasek je spojen s modulem GPS, na němž si uživatel nastaví polohu místa, kam směřuje. Směr, kterým se má ubírat, je určen vibracemi příslušného motoru z malinkých vibračních motorků umístěných v opasku. VR - ZS 2013/2014

61 Další z možností, jak využít taktilní informaci, je např. speciální oblek pro piloty vojenských letadel s obdobnou informací pro pilota pro-střednictvím vibrací 93 Dalšími jsou aerodynamická měření různých objektů - letadel nebo postoje lyžařů či cyklistů, kdy proudící vzduch vytváří tlak na povrch objektů, jenž je snímán taktilními snímači VR - ZS 2013/2014

62 Na základě informací z úrovně současného výzkumu a zejména aplikovaného vývoje je zřejmé, že tato oblast má před sebou daleko větší část než za sebou zejména v průniku s oblastí nanotechnologiemi, kde nachází uplatnění jak při jejich vývoji a výrobě ale i při aplikaci nanotechnologií do svých vlastních vývojových záměrů..

63 Taktilní snímače -VÝBĚR Informace o taktilních snímačích vznikly na základě údajů: z článku v časopise AUTOMA č. 8, rok autor doc. Ing. Jaromír Volf, DrSc., FS ČVUT v Praze z článku v časopise AUTOMA č. 11, rok autoři Ing. Martin Halaj, Ph.D. a doc. Ing. Rudolf Palenčár, CSc., SjF STU, Bratislava, Ing. František Vdoleček, CSc., FSI VUT v Brně z webu Wikipedie z webů o robotech a robotických senzorech z webů o taktilních snímačích obrázky různých principů a provedení snímačů

64 A nakonec trochu odkazů do literatury: TURÁN, J. PETRÍK, S.: Optické vláknové senzory. ALFA, Bratislava, 1990, ISBN MST News: International newsletter on micronano integration, No. 2/05. VOLF, J. VLČEK, J.: New Piezoelectric Tactile Sensors. In: XV. IMEKO World Kongres,. Osaka, 1999, pp LIU, H. MEUSEL, P. HIRZINGER, G.: A Tactile sensing for the DLR Three-Finger Robot Hand. In: ISMCR 2004, Houston, JOCKUSH, J. WALTER, J. RITTER, H.: Tactile Sensor System for a Three-Fingered Robot Manipulator. Department of Computer Science, University of Bielefeld, VOLF, J. et al.: Transducer for Pressure Distribution Measurement and its Practical Tests. In.: The 5th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics SCI 2001, Orlando, 2001, p. 575, ISBN VR - ZS 2013/2014

65 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY T- MaR Vhodná literatura z této oblasti.. [1] Technical documentation of the conductive composite elastomer CS 57-7 RSC. Yokohama Rubber Co. Ltd., [2] VOLF, J. et al.: Transducer for Pressure Distribution Measurement and its Practical Tests. In.: The 5th World Multi-Conference on Systemics, Cybernetics and Informatics SCI 2001, Orlando, 2001, p. 575, ISBN [3] YUJI, J. I. SHIDA, K.: A discriminating method of three mixed tactile information using pressuretemperature sensitive materials. Trans. of Electrical Engineers of Japan, 1999, Part E, vol. 119-E, No. 4. [4] Interlink electronics: Force Sensing Resistors Integration Guide and Evaluation Parts Catalog, [5] LIU, H. MEUSEL, P. HIRZINGER, G.: A Tactile sensing for the DLR Three-Finger Robot Hand. In: ISMCR 2004, Houston, [6] JOCKUSH, J. WALTER, J. RITTER, H.: Tactile Sensor System for a Three-FingeredRobot Manipulator. Department of Computer Science, University of Bielefeld, [7] MATSUMIYA, T. et al.: Intelligent control method for robot hand based on tactile information by doubleoctagon tactile sensor. In: 1999 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (Cat. No. 99CH37028), vol. 2. IEEE, Piscataway, [8] VOLF, J. VLČEK, J.: New Piezoelectric Tactile Sensors. In: XV. IMEKO World Kongres,. Osaka, 1999, pp [9] VOLF, J. VLČEK, J. SEMNICKÝ, T.: The piezoelectric tactile sensor for static force measurement. In: XVIII IMEKO World Congress, Rio de Janeiro, [10] NAKAMURA, Y. HANAFUSA, H. UENO, N.: A piezoelectric film sensor with+uniformly expanded surface to detect tactile information for robotic end-effectors. In: Proceedings of 85 International Conference on Advanced Robotics, Japan Ind. Robot Assoc., [11] TURÁN, J. PETRÍK, S.: Optické vláknové senzory. ALFA, Bratislava, 1990, ISBN [12] MST News: International newsletter on micronano integration, No. 2/05. VR - ZS 2013/2014

66 T- MaR a to by bylo ke 2. informaci o taktilních prvcích pro automatizaci zatím vše...

67 Ta.2