Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb. Teorie měření a regulace. taktilní výběr. cv.8.tak ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace taktilní výběr cv.8.tak ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY VYBRANÝ VÝBĚR INFORMACÍ k dalšímu z principů snímačů. taktilní snímače VR - ZS 2014/2015 Taktilní snímače -VÝBĚR

3 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Taktilní senzory 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 2011/2012 Taktilní snímače -VÝBĚR

4 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 2011/2012

5 Taktilní čidlo nebo snímač je prvek schopný snímat informaci o dotyku s prvkem vnějšího prostředí a převádět ji na elektrický signál. VR - ZS 2011/2012

6 Základní (vybraná) 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

7 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

8 Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní snímače a senzory se podle použitého fyzikálního principu dělí na systémy s elastomery s tenzometry s odporovým principem s kapacitním principem s infračerveným principem s ultrazvukovým principem s piezoelektrickými materiály s optickými vlákny VR - ZS 2013/2014

9 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 MATICOVÉ snímače VR - ZS 2014/2015

10 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

11 elastomer 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

12 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

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

14 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

15 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

16 snímače s elastomery typu FSR Čidlo FSR lze typicky zatížit silou do 10 N, do max. 100 N - při typické změně jeho 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

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

18 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

19 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 frekvence 2,5 MHz a rozlišení na výstupu osm bitů (to znamená rozlišení pomocí 256 úrovní). VR - ZS 2013/2014

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

21 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

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

23 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

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

25 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

26 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

27 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

28 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

29 TMaR Čidla 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 vlastnost. VR - ZS 2014/2015

30 TMaR Čidla 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 2014/2015

31 TMaR síla, teplota,. deformační člen od zdroje světla k detektoru světla Uspořádání optického taktilního čidla se změnou vazby (čidlo s deformačním členem) VR - ZS 2014/2015

32 TMaR Čidla se změnou útlumu Obsahují průsvitný člen vřazený do optického vlákna, který vlivem vnějšího prostředí mění své optické vlastnosti. Optické vlákno zde samo ovlivňováno není a je určeno jen k vedení světelné energie. Nejčastěji se používají k měření teploty, kdy optické vlastnosti průsvitného členu jsou závislé na teplotě. VR - ZS 2014/2015

33 TMaR síla deformační člen od zdroje světla k detektoru světla síla Uspořádání optického taktilního čidla se změnou útlumu (čidlo s deformačním členem) VR - ZS 2014/2015

34 TMaR 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. VR - ZS 2014/2015

35 TMaR Podobně představují příležitost pro aplikování taktilních čidel a snímačů jsou v kombinaci se speciálními konstrukcemi využívajícími, tzv. inteligentní (smart) textilie. VR - ZS 2014/2015

36 TMaR 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. VR - ZS 2014/2015

37 TMaR 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. VR - ZS 2014/2015

38 TMaR 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 VR - ZS 2014/2015

39 TMaR Antropomorfní čtyřprstá hlavice se senzory DLR v akci s míčkem VR - ZS 2014/2015

40 TMaR Vrchol využití umělé inteligence v robotice představuje měkký interaktivní lidský robot RI-MAN, vyvinutý v Rikenu, Bio-Mimetic Control Research Centru v Japonsku 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. 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. VR - ZS 2014/2015

41 TMaR 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). VR - ZS 2014/2015

42 TMaR 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. 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. VR - ZS 2014/2015

43 Maticové taktilní snímače Umožňují sledovat tlaková pole ve styku s tělesem a mj. slouží i k rozpoznávání objektů. Relevantními fyzikálními parametry při styku dvou anebo většího počtu objektů jsou právě síla (dotykový tlak) a deformace, které úzce souvisejí s elastickými vlastnosti objektu. V ideálním případě umožňují řešit úlohy dvou typů snímání: - spojité snímaní sil v oblasti dotyku, - snímání deformačního profilu povrchu objektu. VR - ZS 2013/2014

44 Maticové taktilní snímače jsou velmi zajímavou aplikací u snímačů síly umožňují sledovat tlaková pole ve styku s tělesem slouží i k rozpoznávání objektů - při rozpoznávání obrazů jsou prostředníkem poznání v oboru sil a tlaků ve styku dvou těles robotizovat montážních prácí - sledování polohy a natočení manipulované součásti i řízení bezpečného uchopení bez prokluzu a přitom bez poškození součásti nadměrnou silou stisku chapadla. v lékařství při testech např. tlaku chodidla apod.. VR - ZS 2013/2014

45 Maticové taktilní snímače Při stavbě maticových taktilních snímačů (MTS) se v současné době využívá několika základních fyzikálních principů. Základem MTS je vždy maticové uspořádání citlivých prvků, a to od několika málo až po stovky kusů. Informace, kterou MTS poskytuje, je rozložení normálových složek sil působících na jednotlivé citlivé prvky snímacího pole. Nezastupitelnou úlohu musí sehrávat i kalibrace snímače jednotlivé citlivé prvky jsou při kalibraci i při použití v praxi vystaveny množství vzájemných ovlivnění - problémem je zejména nejednotná, či dokonce vůbec neexistující metodika kalibrace. VR - ZS 2013/2014

46 Maticové taktilní snímače Funkce MTS Od jednoduchého dotyku, kdy se měří jen jedna nebo několik málo diskrétních sil, se MTS výrazně liší tím, že měří i rozložení sil. Použité pole snímačů síly využívá zpravidla vlastnosti pokoušející se napodobovat vlastnosti kůže (hmat) živých tvorů. VR - ZS 2013/2014

47 Maticové taktilní snímače Funkce MTS U zkoumaného objektu zjišťovat: - geometrické vlastnosti jako prostou přítomnost, polohu, orientaci - statické vlastnosti jako velikost, rozměry, tvar a jeho poruchy, oblast dotyku, identitu, vlastnosti povrchu (drsnost, textura) apod., - dynamometrické vlastnosti jako tlak, rozložení tlaku, sílu dotyku, rozložení sil, hmotnost, tření, elasticitu apod. VR - ZS 2013/2014

48 Maticové taktilní snímače Funkce MTS Má-li se taktilní snímač blížit hmatovým vlastnostem lidské kůže, měl by současně splňovat další náročná kritéria: - prostorové rozlišení asi 2 mm, - citlivost asi 2 g, - největší dotyková síla asi 10 N, - doba odezvy do 5 ms, - malá hystereze, - spolehlivost i v nepříznivých provozních podmínkách, - necitlivost na změny okolních podmínek (teplota, vlhkost apod.), - schopnost zjistit a popř. předvídat prokluz. VR - ZS 2013/2014

49 Maticové taktilní snímače Používané principy Existuje mnoho fyzikálních principů a konstrukčních řešení MTS, lišících se rozměry, vlastnostmi a použitím: MTS s maticí hrotů, optické MTS, piezorezistivní tenzometrický MTS, ultrazvukový MTS, chemický MTS, MTS se změnou dotykové plochy, MTS s proměnlivou tloušťkou elastické vrstvy, piezorezistivní a piezoelektrický MTS. VR - ZS 2013/2014

50 Maticové taktilní snímače Funkce MTS VR - ZS 2013/2014

53 Maticové taktilní snímače VR - ZS 2013/2014

56 TMaR Informace o taktilních snímačích vznikly na základě údajů: článek v časopise AUTOMA č. 8, rok autor doc. Ing. Jaromír Volf, DrSc., FS ČVUT v Praze článek 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, Brno web Wikipedie weby o robotech a robotických senzorech VR - ZS 2014/2015

57 TMaR je to vše Ta.0 VR - ZS 2015/2016

58 TMaR Ta.0 VR - ZS 2013/2014