Teorie měření a regulace

Transkript

1 Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb Teorie měření a regulace taktilní 3 17.SPEC-tak.3. ZS 2015/ Ing. Václav Rada, CSc.

2 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Další pokračování Taktilní snímače 3 o dalších principech měření v prezentaci jsou použity informace a obrázky z časopisu AUTOMA

3 Taktilní snímače 3 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.

4 Taktilní snímače 3 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..

5 Taktilní snímače 3 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

6 Taktilní snímače 3 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.

7 Taktilní snímače 3 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.

8 Taktilní snímače 3 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.

9 Taktilní snímače 3 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.

10 MTS s maticí hrotů Matice hrotů představuje pravděpodobně nejstarší typ taktilního snímače - skládá se z matice snímačů posunutí s poměrně velkým měřicím rozsahem. Podle typu použitých snímačů posunutí lze rozlišit dva základní typy analogový a binární.

11 MTS s maticí hrotů Analogový MTS použití: - pevným přitlačením snímače ke zkoumanému objektu se struktura povrchu objektu přenese na matici hrotů snímače - posunutí hrotů se měří analogovými snímači polohy u každého hrotu. Nejčastěji se používají snímače indukční a kapacitní, případně optické, piezoelektrické, Hallovy,. Trojrozměrný obraz se získává jen při použití analogového snímače, měří-li se současně i velikost posunutí jednotlivých hrotů.

12 MTS s maticí hrotů Binárního MTS použití: - k hrotům se připojují dvouhodnotové snímače polohy tím lze získat dvojrozměrný obraz měřeného objektu. Nejčastěji se používají snímače indukční, piezoelektrické, Hallovy,. Trojrozměrný obraz se získává jen při použití analogového snímače, měří-li se současně i velikost posunutí jednotlivých hrotů.

13 Optické MTS Principem optických taktilních snímačů síly je sledování změny intenzity paprsku odraženého od taktilního (dotykového) povrchu snímače - rozložení působícího zatížení je obrazem změřené (vyhodnocené) intenzity. Při odrazu světelného paprsku závisí intenzita odraženého světla zachyceného fotocitlivým prvkem na vzdálenosti odrazné plochy od fotocitlivého prvku a na taktilním povrchu snímače - závislost je nelineární (jde o princip používaný u optických snímačů obecně velmi často) obr. 4a.

14 Optické MTS Pružný taktilní prvek obr. 4b - tvoří: 1 - tenká odrazná vrstva 2 - vrchní krycí vrstva, tvořená tlustší mechanicky odolnou pružnou hmotou 3 - spodní krycí vrstva vytvořená z průhledného materiálu.

15 Optické MTS K obr. 4b.: - ke spodní krycí vrstvě se připojí homogenní pole optických vláken, zabezpečují přímou projekci světelného paprsku na odraznou plochu - pevnou část snímače tvoří zdroj světla, polopropustný dělič a fotocitlivý prvek - pevná část se může posouvat podle požadavků na konstrukci snímače - světlo se ze zdroje 4 šíří skrz polopropustný dělič 5 ke svazku optických vláken 6, která ho vedou k odrazné ploše, odráží se od ní a skrze polopropustný dělič 5 dopadá na fotocitlivý prvek 7

16 Optické MTS - fotocitlivým prvkem je nejčastěji kamera CCD, která buď obsáhne celý svazek vláken v jednom obraze, nebo je třeba zabezpečit skenování obrazu celku rozloženého do několika dílčích obrazů, které se musí složit do výsledku je to velmi náročné na mechanickou přesnost celé soustavy - protože intenzita přijatého paprsku závisí na vzdálenosti přijímače od odrazné plochy, bude do kamery dopadat rastrovaný obraz úměrný rozložení zatížení snímače ten se pak musí dále zpracovat - ke zpracování se využívá mikroprocesorová technika

17 Optické MTS K obr. 4c.: - jestliže se podložka elastomeru 10 prohne v citlivém bodě, přesune se také překážka 11 mezi zdrojem světla 8 a fotocitlivým prvkem 9 - posunutí překážky je úměrné zatížení

18 Taktilní snímače 3 Funkce MTS

19 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS - využívají změnu vlastností materiálu citlivé části snímače vlivem působící síly - běžné elastomery, např. přírodní kaučuk, je možné změnit na piezorezistivní materiál disperzí vodivých částeček (např. uhlíkových nebo stříbrných) do základní hmoty ještě před vulkanizací - výsledný piezorezistivní elastomer se používá jako základní materiál na výrobu malých taktilních snímačů již poměrně dlouho - vážným nedostatkem takového materiálu je velká hystereze zatěžovací charakteristiky (síla odpor), která do značné míry omezuje jeho použití

20 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS - lze konstatovat, že v současné praxi jde o nejrozšířenější typ taktilnmího snímače - příčinou obliby tohoto principu je jeho výjimečná přizpůsobivost co do rozměru jednotlivých prvků snímače - je to jediný z principů kde lze bez problémů docílit velmi jemné struktury matice s prvky o rozměrech řádově desetin milimetru, což se odrazí na zlepšení spojitosti získaného taktilního obrazu - velmi dobrým řešením jsou piezoelektrické polymery materiál je poddajný, houževnatý a má malou měrnou hmotnost dodává se v podobě archů s různou tloušťkou (až do 9 µm)

21 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS - závislost u archů s různou tloušťkou je v grafu obr ale jde o materiál pyroelektrický s poměrně malou Curieovou teplotou a trpící ztrátami rezistivity (odporu) - jeho použití je omezeno na teploty do 80 C

22 Taktilní snímače 3 Funkce MTS

23 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS

24 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS Z metrologického hlediska má většina použitých materiálů mnoho nedostatků: poměrně rychlé stárnutí spojené především se ztrátou pružnosti, nelineární závislost elektrického odporu na zatížení, poměrně velkou hysterezi, malou citlivost, výrazný drift v čase, špatné dynamické vlastnosti, elektrický šum, malou odolnost proti přetížení

25 Piezorezistivní a piezoelektrické MTS Naopak k výhodám patří: v současnosti velmi dobře zvládnutá technologie výroby, poměrně dobré mechanické vlastnosti, stálost charakteristiky i po absolvovaní relativně velkého počtu zatěžovacích cyklů. Pro dokonalejší využití snímačů je třeba vypracovat metodiku jejich ověřování a kalibrace, která by umožnila spolehlivě stanovit dobu jejich (zbytkového) provozního života.

26 Ultrazvukové MTS - je založen na měření doby průchodu ultrazvukového impulsu - aktivní povrch se skládá ze dvou membrán oddělených vzduchovou mezerou - doba průchodu ultrazvukového impulsu vzduchovou mezerou od vysílače je po odrazu zpět do přijímače vyhodnocena a závisí na proměnné tloušťce vzduchové mezery

27 Chemické MTS - v chemickém MTS se využívá změna chemických vlastností citlivé vrstvy v závislosti na mechanickém zatížení

28 MTS se změnou dotykové plochy - prostorové rozlišení je lepší než u matice hrotů - má zásadní omezení rozměrové největší dosud docílené rozlišení je asi 0,5 mm.

29 MTS se změnou dotykové plochy - využívá se změna dotykové plochy v závislosti na zatížení mezi dvěma částmi snímače - citlivé taktilní prvky jsou tvořeny malými tlačítky, stlačovanými vůči pevné ploše základové desky (obr. 5) - dotyková plocha tlačítka se mění přibližně s druhou mocninou síly a lze ji měřit např. pomocí odporových metod. - snímač umožňuje současně měřit i smykové složky sil (pak se kruhový tvar dotykové plochy navíc deformuje na eliptický) - jsou vhodné pro robotiku, manipulaci s křehkými předměty apod. Prostorové rozlišení je lepší než u matice hrotů, ale opět je zde zásadní omezení rozměrové. Nejvíce bylo dosud docíleno rozlišení asi 0,5 mm.

30 MTS s proměnlivou tloušťkou elastické vrstvy - místní tloušťka elastické vrstvy je přibližně nepřímo úměrná síle působící na dané místo - se zmenšující se tloušťkou vrstvy rostou hodnoty některých parametrů a jiných naopak klesají závisí to na konstrukci a výběru materiálu citlivé elastické vrstvy

31 Připojení MTS Citlivý povrch taktilního snímače musí zůstat volný, aby mohl být ve styku se sledovaným objektem - proto je třeba volit zvláštní způsob připojení vodičů, které je navíc zpravidla třeba minimalizovat z důvodů prostorových montážních omezení. S výhodou se zde využívá skenování a přepínání (multiplexovaný režim). - adresací každého prvku matice snímače - adresací řádků a sloupců

32 Připojení MTS Citlivý piezorezistivní materiál tvořící matici prvků v konstrukčním uspořádání 2 archů s připojením k vyhodnocovací elektronice v řádcích a sloupcích. Parametry materiálu: tloušťka 0,5 mm, pevnost v tahu 1,9 N/mm2, prodloužení do porušení 220 %, provozní teplota 40 až +100 C, maximální zatížení 600 kpa, chemická odolnost obdobná jako u běžné silikonové pryže.

33 Taktilní snímače 3

34 Taktilní snímače 3

35

36 TMaR 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

37 Taktilní snímače 2 TMaR 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

38 MĚŘENÍ TEORIE A PRINCIPY Vhodná literatura z této oblasti.. Technical documentation of the conductive composite elastomer CS 57-7 RSC. Yokohama Rubber Co. Ltd., YUJI, J. I. SHIDA, K.: A discriminating method of three mixed tactile information using pressure-temperature sensitive materials. Trans. of Electrical Engineers of Japan, 1999, Part E, vol. 119-E, No. 4. Interlink electronics: Force Sensing Resistors Integration Guide and Evaluation Parts Catalog, MATSUMIYA, T. et al.: Intelligent control method for robot hand based on tactile information by double-octagon tactile sensor. In: 1999 IEEE International Conference on Systems, Man, and Cybernetics (Cat. No. 99CH37028), vol. 2. IEEE, Piscataway, VOLF, J. VLČEK, J. SEMNICKÝ, T.: The piezoelectric tactile sensor for static force measurement. In: XVIII IMEKO World Congress, Rio de Janeiro, 2006.

39 Taktilní snímače 3 Literatura Halaj, M.: Kalibrácia piezorezistívneho maticového taktilného snímača. [Dizertačná práca.] Bratislava, SjF STU Halaj, M. Palenčár, R. Chudý, V. Tima, J.: Metrological Characteristics of the Tactile Sensor Array. In: Zborník z konferencie Strojné inžinierstvo Bratislava, 2000, s až Halaj, M. Chudý, V.: Tactile Matrix Sensors: Testing and Calibration. In: Zborník z medzinárodnej konferencie Strojné inžinierstvo 98. Bratislava, september Regtien, P. L.: Tactile Imaging. In: Sensors and Actuators A, 1992, No. 31, s 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., [MST News: International newsletter on micronano integration, No. 2/05.

40 a to by bylo ke 3. informaci o taktilních prvcích pro automatizaci vše...

41 Taktilní snímače 3 Ta.3