Teorie měření a regulace

Transkript

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

2 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Další pokračování o dalších moderních principech snímačů VR - ZS 2013/2014 Taktilní snímače 1

3 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Taktilní snímače pro automatizaci - představují samostatnou specializovanou skupinu - patří do třetí generace snímačů - v některých úlohách jsou nezastupitelné (z celé řady důvodů a pohledů) - umožní získat dosud nedostupné informace z nejrůznějších oblastí, vědy, techniky i obyčejného života -.. VR - ZS 2014/2015

4 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Taktilní snímače pro automatizaci - jsou obsaženy v nejrůznějších předmětech a prvcích, aniž by si to jedinec uvědomoval a používá je běžně a bezproblémů. -.. VR - ZS 2014/2015

5 Taktilní hmatový, dotykový, smyslový. Hmat je tradičně řazen mezi pět lidských smyslů. Ve skutečnosti je hmat spíše soubor několika různých smyslů, které pomocí receptorů v kůži umožňují získávat informace z bezprostředního okolí - tlaku, bolesti, chladu, tepla, vpichu, vibrací atd. Hmatové receptory jsou v kůži rozprostřeny s různou hustotou. 2012/2013 VR - ZS 2014/2015 WIKIPEDIA.CZ

6 Taktilní hmatový, dotykový, smyslový. Souhrnně se uvedený soubor stimulací nazývá taktilní kontakt. Mezilidský kontakt pomocí doteku se nazývá haptika. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

7 Taktilní snímače jsou inspirovány různými biologickými vzory. Jednou z charakteristik biologicky inspirovaných taktilních snímačů je, že obsahují více než jednu snímací strategie. Například - zjištění, jaké je rozložení tlaků a sil, pomocí pole tlakových snímačů (čidel) tenzometrické růžice. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

8 Proto je výhodou biologicky navrženého taktilního snímače, že je schopen provádět naráz různé druhy snímání, např. dvoubodová diskriminace (dvojbodový dotyk) i síla (tlak) snímání. Jeden takový snímač kombinuje snímání síly (tlaku), snímání vibrací, snímání teploty i přenosu tepla. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

9 Jeden takový snímač kombinuje snímání síly (tlaku), snímání vibrací, snímání teploty i přenosu tepla. Může dále sloužit např. k určení hmotnosti, těžiště, koeficientu tření, tepelné vodivosti, atp. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

10 Pokročilé verze biologicky navržených taktilních snímačů zahrnují snímání vibrací. Vibrace jsou určeny jako důležité pro pochopení interakcí mezi snímačem hmatu (taktilním s.) a objektů po kterém klouže (taktilní) čidlo po objektu. Tyto interakce jsou nyní chápány jako důležité pro lidské (ale i průmyslové) nástroje posuzování struktury objektu. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

11 V průmyslu se nyní přikládá značný význam systémům pro získání a zpracování obrazové informace v mnoha případech jsou taktilními snímači doplněny. V robotice nemohou být mechanické vlastnosti objektu určeny pouze z obrazu. VR - ZS 2014/2015

12 Taktilní snímače, které měří velmi malé změny, musí mít velmi vysokou citlivost. Vlastní čidla musí být navržena tak, aby měly malý vliv na to, co se měří. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

13 Taktilní s tím souvisí: Mechanoreceptor (dotykový či taktilní receptor) je smyslový receptor (orgán), který zaznamenává změny tlaku (dotyk), bolest, napětí a natažení. Mechanoreceptory obecně patří mezi jednodušší smyslové receptory, vznikly z epiteliálních buněk pokožky (je tkáň tvořená buňkami, které na sebe těsně naléhají, a minimem mezibuněčné hmoty. VR - ZS 2014/2015

14 Taktilní senzory pro automatizaci Informace o základních kategoriích, konstrukčních principech, vlastnostech, příkladech řešení a použití taktilních senzorů a snímačů, nacházejících uplatnění jak v robotice a montážní a manipulační technice v průmyslu, tak zčásti mimo průmyslové obory. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

15 Taktilní senzory pro automatizaci Roboty jsou konstruované k interakci s objekty to vyžaduje manipulaci zahrnující: přesnost, zručnost, nebo interakce s neobvyklými předměty. K tomu je nezbytné zajistit smyslový aparát, který je funkčně ekvivalentní s různými senzory, kterými je člověčenstvo (lidská pracovní síla ) přirozeně obdařeno. Taktilní senzory byly vyvinuty pro použití s roboty. WIKIPEDIA.CZ VR - ZS 2014/2015

16 Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní čidla a snímače umožňují získat specifickou informaci, kterou nelze obstarat jiným způsobem a jejíž znalost je nutná při interakci mezi různými předměty, prvky, tělesy,... VR - ZS 2014/2015

17 Taktilní čidla a snímače - je to velmi široký pojem... velké množství různých prvků od mikrospínačů indikujících dotyk, přes senzory měřící úchopnou sílu nebo prokluzování uchopeného předmětu až po složité snímače nahrazující lidský hmat ty jsou z aplikačního hlediska asi nejvýznačnější. VR - ZS 2014/2015

18 Taktilní čidlo nebo snímač je prvek schopný snímat informaci o dotyku s prvkem vnějšího prostředí a převádět ji na elektrický signál. Taktilním snímačem je obvykle míněno maticově nebo jinak polohově uspořádané seskupení dílčích taktilních čidel a snímačů. VR - ZS 2014/2015

19 Taktilní čidlo nebo snímač je prvek realizovaný na různých fyzikálních principech čidel jiných fyzikálních veličin. přitom hmat není fyzikální veličinou, protože zahrnuje tlak i jiné fyzikální, ale i NEFYZIKÁLNÍ veličiny. VR - ZS 2014/2015

20 Taktilní systémy mají oproti standardním systémům četné výhodné vlastnosti, zejména: malá a lehká zařízení s možností být součástí úchopné hlavice, možnost měnit pracovní prostor senzoru (snímače) přesunem úchopné hlavice, paralelní sběr a rychlý paralelní přenos údajů, VR - ZS 2011/2012

21 . značná míra nezávislosti na okolních vlivech v porovnání s vizuálními systémy, kde dopadající stíny mohou vést k chybám, snadné pořízení výstupního signálu v číslicové formě, levná realizace, a to včetně celého rozpoznávacího systému, možnost řídit robot v reálném čase. VR - ZS 2011/2012

22 . uplatnění: robotika hmatové a úchopové senzory biomedicína a stomatologie náhrady částí těla snímání chodidla rozložení váhy na ploše chodidla vady tvaru chodidla či prstu atp. zjišťování přítomnosti nebo nepřítomnosti dotyku zda je či není hmatový (dotykový) kontakt informace o velikosti působící síly či tlaku 1D a 2D (plošné) snímače dotyku VR - ZS 2013/2014

23 Taktilní senzory pro automatizaci VR - ZS 2011/2012

24 Taktilní senzory pro automatizaci K nevýhodám taktilních systémů v porovnání s standardním systémům patří: omezená rozlišovací schopnost v důsledku mechanických nedokonalostí konstrukce, nutná minimální úchopná síla, nutnost sledovat opotřebení. VR - ZS 2011/2012

25 Taktilní senzory pro automatizaci Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií: 1. určené k rozpoznání tvaru a rozměru předmětů: a) taktilní snímač vhodně umístěný na aktivní úchopné hlavici robotu = taktilní informace se získává z primárních nebo ze sekundárních taktilních senzorů taktilního snímače při uchopení (sevření) předmětu úchopnou hlavicí; tímto se získá informace o globálních vlastnostech objektu, VR - ZS 2011/2012

26 Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií: b) taktilní snímač umístěný na zařízení, které postupně aktivně ohmatává rozpoznávaný předmět tak, že postupuje po jeho povrchu; získává tedy taktilní informaci o lokálních vlastnostech povrchu objektu v relativně malé oblasti, v níž se objektu dotýká. VR - ZS 2011/2012

27 Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií: 2. Jednoduché taktilní snímače nebo čidla umístěné na aktivní úchopné hlavici, jejichž cílem je zjistit, zda byl předem známý předmět správně uchopen; generují jen dotykovou informaci a lze je použít i k vyhodnocení síly stisku čelistí úchopné hlavice. VR - ZS 2011/2012

28 Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií: 3. Taktilní čidla a snímače umístěné na exponovaných místech ramena robotu, kdy cílem je plnit bezpečnostní funkce (např. dají signál k zastavení pohybu ramena, jestliže toto narazí na neočekávaný objekt). VR - ZS 2011/2012

29 Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií: 4. Taktilní čidla a snímače generující informaci využívanou k řízení pohybu robotů či jiných automatických mechanismů a k usnadnění jejich orientace v prostoru. VR - ZS 2011/2012

30 Taktilní senzory pro automatizaci - rozdělení VR - ZS 2015/2016

31 Taktilní senzory pro automatizaci rozdělení pro 2D VR - ZS 2015/2016

32 Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní snímače a senzory se podle použitého fyzikálního principu dělí na systémy VR - ZS 2015/2016 mechanické s elastomery s tenzometry s odporovým principem s kapacitním principem s infračerveným principem s ultrazvukovým principem s piezoelektrickými materiály s optickými vlákny

33 Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní snímače a senzory se podle použitého fyzikálního principu dělí na systémy s tlustou odporovou vrstvou s tenkou odporovou vrstvou s vakuovou diodovou strukturou s využitím prvků CMOS VR - ZS 2013/2014

34 Taktilní senzory pro automatizaci snímače mechanické sestrojené na bázi CMOS tenzometrického prvku pro měření tlaků (traction stress sensor) VR - ZS 2015/2016

35 snímače mechanické 1D pro sílu a tlak VR - ZS 2015/2016

36 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Snímač s vodivým elastomerem informuje nejen o prostém kontaktu, ale může poskytnout i kvantitativní a kvalitativní informaci o předmětu, s jehož povrchem přicházejí čidla do kontaktu. VR - ZS 2011/2012

37 elastomery z čeho to je? Elastomer... hmota na bázi kaučuku jde o silikonovou pryž sycenou grafitem nebo železným prachem. Elastická vlákna jsou definována jako vlákna, která se dají natáhnout na nejméně. VR - ZS 2011/2012

38 snímače s elastomery Převodník síly na elektrický signál = čidlem je vodivý elastomer měnící svůj elektrický odpor v závislosti na působící síle. Se stlačováním a relaxací poddajného materiálu se mění výsledný odpor čidla. VR - ZS 2011/2012

39 snímače s eleastomery VR - ZS 2015/2016

40 snímače s elastomery 6 4 Typická závislost odporu R taktilního snímače s vodivým polymerem na působící síle F a je nelineární v celém rozsahu F [N] VR - ZS 2013/2014

41 snímače s elastomery typu FSR Senzory s citlivým polymerním materiálem (Force Sensitive Resistor FSR) = odporové čidlo využívající závislost elektrického odporu polymerové vrstvy (Resistive Film, FSR Polymer Ink) na působící síle. VR - ZS 2011/2012

42 snímače s elastomery typu FSR Základem je odporová vrstva vyrobená technikou tlustých vodivých polymerových vrstev (Polymer Thick Film PTF) a tvořená elektricky vodivými a nevodivými částicemi o velmi malých rozměrech Při působení síly na tuto vrstvu se částice vzájemně dotýkají, a vytvářejí tak vodivé dráhy, čímž se odpor vrstvy zmenšuje. VR - ZS 2011/2012

43 snímače s elastomery typu FSR Čidlo FSR lze typicky zatížit silou do 10 N, do max. 100 N. Při typické změně odporu v rozmezí od 2 MΩ do 2 kω. Maximální tlak, při němž čidlo ještě funguje, se pohybuje v rozmezí 100 až 200 Pa. Rozlišovací schopnost čidla je lepší než 0,5 %. VR - ZS 2011/2012

44 snímače s elastomery typu FSR Čidla FSR se nehodí pro přesná měření. Důvodem je tolerance (rozdílnost) převodní charakteristiky mezi jednotlivými čidly, která činí 15 až 25 %. VR - ZS 2011/2012

45 snímače s elastomery typu FSR Tato varianta má příznivější převodní (statickou) charakteristiku má menší nelinearitu. Lineární část převodní charakteristiky je delší (větší) a proto ji lze snáze využít k měření zatížení. VR - ZS 2011/2012

46 snímače s elastomery typu FSR Výstupní elektrický signál lze linearizovat rezistorem nebo softwarově v počítači. Jednotlivé konstrukce snímačů se liší umístěním elektrod a elastického materiálu. VR - ZS 2013/2014

47 snímače s elastomery typu FSR Umístění elektrod a elastického materiálu, který leží mezi snímacími elektrodami nebo je umístěn na dvojici speciálně tvarovaných elektrod, je charakteristickou reálnou vlastností. Snímač může obsahovat různé vrstvy, které nastavují měřicí rozsah a popř. chrání vodivý elastomer před poškozením při velkém rázovém přetížení. VR - ZS 2013/2014

48 snímače s elastomery Pro měření rozložení statických a dynamických tlaků byl vyvinut snímač Plantograf V05. Je určen k analýze chůze člověka, rozložení tlaků na plosce chodidla, sedu a k indikaci stavu velkých kloubů. Snímač existuje v podobě pevné desky i elastické plenky, obě varianty jsou chráněny mezinárodními patenty). VR - ZS 2013/2014

49 snímače s elastomery Obsahuje senzorů o rozměrech 2 2 mm, rozmístěných rovnoměrně na ploše mm. Použitý vodivý elastomer CZ 57-7 RSC má tloušťku 0,5 mm a je stabilní při teplotě od 40 do +100 C. Snímková frekv. je 300 Hz, vzorkovací frekv. 2,5 MHz a rozlišení na výstupu osm bitů ( to znamená rozlišení pomocí 256 úrovní). VR - ZS 2013/2014

50 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Snímač Plantograf V05 VR - ZS 2013/2014

51 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery typu FSR Uspořádání snímače FSR od firmy Interlink Electronics. pružný substrát s tištěnou odporovou vrstvou vlepená vrstva mezera pružný substrát s tištěnými elektrodami rub aktivní oblast VR - ZS 2011/2012

52 snímače s elastomery typu FSR Základem senzoru je odporová vrstva vyrobená technikou tlustých vodivých polymerových vrstev (Polymer Thick Film PTF) a tvořená elektricky vodivými a nevodivými částicemi o velmi malých rozměrech. Při působení síly na tuto vrstvu se částice vzájemně dotýkají, a vytvářejí tak vodivé dráhy, čímž se odpor vrstvy zmenšuje. VR - ZS 2013/2014

53 snímače s elastomery typu FSR 100 Typická statická charakteristika ,1 0, F [N] VR - ZS 2011/2012

54 snímače s elastomery FlexiForce od fy Tekscan, Inc. používá tenká, ohebná čidla s vodivým materiálem na dvou tištěných podkladových materiálech výhody: lepší linearita měření s vyšším zatížením stabilní výkon s ohledem na prostor. VR - ZS 2011/2012

55 snímače s elastomery Výhody této konstrukce jsou však historicky omezené připojovacími konektory = pinové konektory jsou nejpraktičtější a cenově dosti efektivní a snadno přizpůsobitelné potřebám aplikaci koncového zákazníka. VR - ZS 2011/2012

56 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání čidla od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

57 snímače s elastomery Výhody FlexiForce čidel: velká flexibilita vynikající linearita a přesnost (lepší než ± 3 %) přesné aplikační a technické pokyny široká škála rozsahů měřených sil výstup senzoru není funkcí snímací plochy vysoká teplota při měření (až 210 ºC) High- Temp Model (HT201) velmi malá tloušťka čidla 0,2 mm. VR - ZS 2011/2012

58 snímače s elastomery Typická specifikace čidla: Linearita: < ± 3 % (přímka pro 0 50 % zatížení) Opakovatelnost: < ± 2,5 % z rozsahu ( do 80 % plné působící síly) Hystereze: < 4,5 % z rozsahu (do 80 % plné působící síly) Drift: < 5 % z logaritmicky rostoucího času (trvalé zatížení 90 %) VR - ZS 2011/2012

59 snímače s elastomery Doba odezvy: < 5 μsec (doba potřebná k reakci čidla na změnu vstupní síly - nárazové zatížení) Provozní teplota: standardní -9 C až 60 C nebo -9 C až 204 C provedení High-Temp na přání Vliv teploty: ± 0,36 % na 1 C Pro zatížení, méně než cca 5 kg je provozní teplota standardního provedení zvýšena na 74 C. VR - ZS 2011/2012

60 snímače s elastomery FlexiForce čidla fungují jako snímací odpor v el. obvodu pro nulový tlak má vysoký odpor (isolant) pro velký tlak tento odpor klesá. Hodnotu odpor lze číst na připojením multimetru. Platí, že křivka vodivosti je lineární. VR - ZS 2011/2012

61 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery VR - ZS 2013/2014

62 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery VR - ZS 2013/2014

63 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s kruhovou snímací plochou od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

64 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou (8x) snímací plochou od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

65 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícená-sobnou (3x) snímací plochou speciálného tvaru od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

66 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou (24x) snímací plochou speciálného tvaru od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

67 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou snímací plochou VR - ZS 2013/2014

68 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery snímač jako vložka do boty pro správné tvarování výstelky - ortopedie VR - ZS 2015/2016

69 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery snímač jako deska pro měření tlaku vyvolaného chodidlem - ortopedie VR - ZS 2015/2016

70 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Přklady provedení maticového čidla (cca 380 x 380 mm) od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

71 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery VR - ZS 2013/2014

72 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s nesymetrickou snímací plochou od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

73 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Příklady provedení celkem malého čidla (úhlopříčka 0,25, tj. cca 6,35 mm) od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

74 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Příklad provedení výrobku = pásku s čidly který lze stříhat na jednotlivá čidla podle aplikace - fa Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

75 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Přklady provedení čidel od firmy Tekscan FlexiForce. VR - ZS 2011/2012

76 snímače s elastomery Používají se v konstrukci dotykových klávesnic, notebookových touchpadů, dalších různých zařízení, popř. ke zjišťování polohy předmětů. Lze vyrobit čidla různých tvarů. Lze vyrobit snímače složené z jednotlivých čidel. VR - ZS 2011/2012

77 snímače s elastomery typu odporová vrstva Čidlo reaguje na normálovou, i na tečnou složku síly. jde o dvě spojená vrstvová čidla - první je tvořeno klky na odporové vrstvě a vytváří tzv. dynamický senzor, citlivý na dynamickou změnu polohy klků působením tečné složky síly, na kterou spodní odporová vrstva nereaguje (druhé). Statická tlaková síla se projeví ve spodní vrstvě reagující změnou odporu. VR - ZS 2013/ obr. následuje

78 snímače s elastomery typu odporová vrstva a) normálová složka síly dynamický Princip čidla působení normálové a smykové složky síly b) tečná složka síly statický dynamický t t statický t t VR - ZS 2011/2012

79 snímače s elastomery typu FSR Konstrukce prstu umělé ruky DLR se senzorem FSR vrchní krycí pryžová vrstva podpěra připojovací konektor A B vnitřní podpěra pružná vrstva A B pružná vrstva Materiál FSR Materiál FSR Materiál FSR VR - ZS 2013/2014

80 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Detekční fólie Pressurex od firmy Sensor Product Inc. je velmi tenká (tloušťka 0,01 až 0,05 mm), vnějším vlivům odolávající pružná fólie umožňující stanovit rozložení tlaku mezi dvěma dotýkajícími se povrchy objektů - i zakřivených. VR - ZS 2011/2012

81 snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Obsahuje tenkou vrstvu mikrokapsulí, umístěnou vespod přenosové polyesterové fólie, které se působením síly protrhnou a jejich obsah zapůsobí na barevnou vývojovou vrstvu, na vyvíjecí fólii. VR - ZS 2011/2012

82 snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Fólie Pressurex se poté vyjme z místa měření a z výsledného zabarvení se určí působící síla, popř. tlak. U některých typů fólie se velikost tlaku nemusí projevit jen intenzitou zabarvení, ale též změnou barvy. VR - ZS 2011/ obr. následuje

83 snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Princip čidla použití fólie Pressurex a) b) 100 % 87 % a) fólie po zatížení, 75 % b) převod intenzity zabarvení na působící tlak 62 % 50 % 37 % 25 % 0 % VR - ZS 2011/2012

84 Taktilní senzory pro automatizaci snímače otisku prstu Snímač využívá kapacitního principu viz dále. VR - ZS 2015/2016

85 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

86 snímače otisku prstu Uspořádání každého prvku pixelu kapacitního snímače. VR - ZS 2015/2016

87 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

88 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

89 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

90 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

91 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

92 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

93 snímače otisku prstu VR - ZS 2015/2016

94 Taktilní senzory pro automatizaci snímače s elastomery Snímač s vodivým elastomerem informuje nejen o prostém kontaktu, ale může poskytnout i kvantitativní a kvalitativní informaci o předmětu, s jehož povrchem přicházejí čidla do kontaktu. VR - ZS 2011/2012

95 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Taktilní snímače 1 Taktilní senzory pro automatizaci. jsou v pokračování snímače s tenzometry VR - ZS 2015/2016

96 a to by bylo k 1. informaci o taktilních prvcích pro automatizaci zatím vše... VR - ZS 2015/2016

97 TMaR Ta.1 VR - ZS 2013/2014