ОСНОВЫ РОБОТОТЕХНИКИ

Раздел: Наука и техника

Взаимодействие современных роботов с реальной внешней средой, помимо жестко запрограммированных действий, должно строиться с элементами адаптации, т.е. с учетом информации о состоянии и положении рабочих органов и технологического оборудования, состоянии внешней среды и объектов в рабочей зоне. Эту информацию, объем и характер которой определяются назначением робота, особенностями среды его функционирования и технологического процесса, обеспечивает информационно-измерительная система, конструктивно входящая в управляющее устройство робота

Она представляет собой органы "чувств" робота и в значительной степени определяет его функциональные возможности, эксплуатационную эффективность и надежность, сложность решаемых задач, а также безопасность обслуживающего персонала Роботу, который обладает способностью "чувствовать", легче выполнять сложные действия, адаптироваться при выполнении широкого круга задач. Благодаря этому повышается степень универсальности робота, что, в конечном счете, несмотря на повышение собственной стоимости робота, приводит к снижению стоимости продукции и технического обслуживания при эксплуатации.

Информационно-измерительная (или сенсорная) система робота предназначена для автоматического восприятия, сбора и преобразования информации о внутреннем состоянии робота и внешней среды и передачи ее в систему управления. Для обеспечения функционального назначения информационно-измерительная система в общем виде должна содержать устройства обратной связи, устройства преобразования и предварительной обработки информации и линии связи.

Главной функциональной составляющей информационно-измерительной системы являются устройства обратной связи, или чувствительные устройства, предназначенные для активного контроля в процессе работы параметров состояния робота и технологического оборудования, а также внешней среды и объектов в рабочей зоне чтобы целенаправленно изменять программные действия робота путем передачи информации в систему управления для формирования там управляющих воздействий.

В целом устройства обратной связи включают системы 1) контроля параметров состояния робота (положений и скоростей перемещения рабочих органов и элементов механизмов, усилий в элементах, аварийной блокировки, диагностики и прогнозирования ресурса работы); 2) восприятия и анализа информации о внешней среде (тактильной, визуальной, локационной и др.); 3) обеспечения техники безопасности (регистрации пространственного положения самого робота и его отдельных частей, местонахождения обслуживающего персонала и оборудования в рабочей зоне).

Первичную информацию эти системы получают от датчиков обратной связи, или чувствительных элементов, являющихся важнейшими составными частями устройств обратной связи.

Все чувствительные устройства роботов так же, как и датчики, по своему назначению и решаемым задачам можно разделить на два класса устройства внутреннего состояния робота (или внутренней информации) и устройства параметров внешней среды (или внешней информации).

8.3.1. Чувствительные устройства внутренней информации

Устройства этого класса предназначены для контроля за функционированием механизмов и систем робота и управления его действиями путем формирования сигналов в цепях обратных связей по положению и скорости звеньев манипулятора, а также по силе и моменту.

Для выявления и регистрации параметров, характеризующих внутреннее состояние робота, - положений и скоростей звеньев манипуляционной системы, усилий и моментов, возникающих в них, - используются различные датчики, представляющие преобразователи механических параметров в электрические сигналы.

К датчикам обратной связи предъявляются следующие требования: а) малогабаритность и простота конструкции в связи с необходимостью их размещения на схватах и других частях манипуляторов; б) высокая надежность и помехоустойчивость, включая возможность эксплуатации в условиях электромагнитных помех, колебаний напряжений и частоты питания; в) устойчивость к механическим воздействиям (ударам, вибрациям) и к изменению параметров окружающей среды (температуры, влажности); г) независимость (развязка) входных и выходных цепей; д) простота регулирования и обслуживания в условиях ограниченной площади обслуживания; е) наличие абсолютного отсчета перемещений; ж) малая стоимость. Датчики внутренней информации, применяемые в промышленных роботах, классифицируются по следующим признакам.

По виду выходного сигнала датчики делятся на непрерывные (или аналоговые) и дискретные (или цифровые). В аналоговых датчиках выходной сигнал формируется в виде непрерывно изменяющихся значений напряжения или тока (потенциометра) либо фазы напряжения переменного тока (сельсины или вращающиеся трансформаторы). В дискретных датчиках выходной сигнал представляется цифровым кодом (кодовые датчики) либо в виде серии импульсов (импульсные датчики), либо в виде релейного сигнала.

По принципу идентификации значения выявляемого параметра по выходному сигналу подразделяются датчики с абсолютным и неабсолютным отсчетами. Так, сигнал датчика перемещения с абсолютным отсчетом однозначно соответствует величине перемещения; у датчиков с неабсолютным отсчетом такая однозначность отсутствует.

По виду контролируемого параметра различаются датчики положения (или перемещения), скорости, ускорения и усилия (момента). В последние годы разработаны и начинают находить применение так называемые датчики наклона, позволяющие определять и контролировать уклон, например, мобильного робота, перемещающегося по наклонной поверхности.

При выборе типа датчика наряду с его назначением, основными параметрами и особенностями конструкции следует учитывать также вопросы обеспечения питания, связи с управляющим устройством, первичной обработки сигнала.

В качестве датчиков положения используются потенцио- метрические, индуктивные, емкостные, оптоэлектронные и другие устройства. Конструктивно они могут выполняться линейными или поворотными и располагаться непосредственно на степенях подвижности ПР.

Наиболее просто организуется измерительная часть системы управления робота при использовании в качестве датчиков положения потеницометров - электромеханических аналоговых преобразователей перемещения в напряжение постоянного или переменного тока. Простейший потенциометр выполняется в виде непрерывно намотанный на изолированный каркас высокоомной проволоки, к которой прикладывается постоянное или переменное напряжение, а с движка, перемещаемого вместе с объектом измерения, снимается выходное напряжение.

Потенциометры просты в изготовлении, малогабаритны и весьма дешевы, а выходной сигнал имеет достаточную мощность, не требуя, как правило, дополнительной обработки. Питание их производится стабилизированным напряжением, а связь с управляющим устройством осуществляется с помощью двухпроводной линии.

К недостаткам потенциометров следует отнести ограниченную разрешающую способность, а также отклонение характеристики от линейной при измерении больших перемещений. Они нашли преимущественное применение в системах управления позиционного типа. Их дальнейшему широкому распространению в замкнутых системах автоматического управления современных промышленных роботов способствует разработка пластмассовых токосъемников, имеющих повышенный срок службы (свыше 107 циклов), высокую линейность характеристики и почти неограниченную разрешающую способность измерения перемещения.

Однако возможная скорость перемещений потенциометрических датчиков ограничена величинами, часто недостаточными для нормального функционирования конкретного робота (до 1 м/с при поступательном перемещении и до 10 об/с - при вращении). В современных роботах используются преимущественно малогабаритные пленочные потенциометры с высокой разрешающей способностью и повышенным (до 5 млн. циклов) ресурсом.

Весьма перспективны для применения в качестве датчиков положения различные индуктивные устройства, в частности, сельсины и вращающиеся трансформаторы. Сельсины представляют собой специальные микромашины переменного тока, у которых определенным образом включены статорные и роторные обмотки. На выходную обмотку сельсина-датчика подается однофазное напряжение, а с выходной обмотки сельсина-приемника снимается напряжение, по 374

величине которого можно судить об угле поворота ротора Сельсины обладают высокой надежностью, помехоустойчивостью, независимостью входных и выходных цепей, малыми габаритными размерами. Однако точность сельсинов не очень высока (не выше ± 0,25°).

Вращающиеся трансформаторы (ВТ) построены на том же принципе, что и сельсины, но превосходят их по своим возможностям. Вращающийся трансформатор представляет собой индукционную электрическую машину неявно полюсного типа с двухфазной статорной и однофазной роторной обмотками, у которой выходное напряжение является функцией угла поворота По конструкции ВТ выполняются контактными и бесконтактными, двухполюсными и многополюсными. Контактные ВТ точнее бесконтактных, имеют более высокий коэффициент передачи напряжения, но менее надежны, чем бесконтакные. Двухполюсные ВТ имеют меньшую точность и чувствительность по сравнению с многополюсными (резольверами и редуксинами), применяемыми в приводах с высокомоментными двигателями. Для роботов с наиболее высокой точностью позиционирования применяются двухотсчетные вращающиеся трансформаторы с погрешностью не более 0,01 %.

Высокую разрешающую способность и точность обеспечивают . также индуктосины - вращающиеся трансформаторы, развернутые в плоскости. Обмотки статора и ротора индуктосина наносят в виде плоских проводящих цепей в форме меандров на пластины или диски из изоляционных материалов. Для измерения линейных перемещений применяют линейные индуктосины.

Вращающиеся трансформаторы можно использовать в качестве датчиков обратной связи и в цифровых системах управления. В этом случае аналоговый выходной сигнал должен быть преобразован в цифровой код с помощью специального преобразователя аналог-код.

В качестве дискретных датчиков перемещений широкое распространение в управляющих устройствах ПР полупили оптоэлект- ронные импульсные датчики, выдающие в каждый момент времени полную информацию об измеряемом перемещении и обладающие высокой разрешающей способностью. Такой датчик для измерения угловых (или линейных) перемещений содержит вращающийся (или перемещающийся) вместе с объектом измерения диск (или рейку) с чередующимися прозрачными и непрозрачными зонами (растр, или кодовая маска), а также неподвижный индикаторный диск (или рейку). Пропускаемый через них параллельный пучок света образует на выходе муаровую, или кодовую картину, воспринимаемую фотоэлектронным считывающим устройством.

Применяют две разновидности оптоэлектронных импульсных датчиков перемещений - растровые и кодовые. Первые позволяют непрерывно отслеживать величины перемещений звеньев манипулятора с высокой точностью. Их простота и высокая разрешающая способность, наряду с малыми габаритными размерами (наибольший

размер до 120 мм и масса до 0,7 кг), привели к широкому применению их как в отечественных, так и зарубежных ПР.

Датчик перемещения кодового типа в отличие от растрового позволяет получить на выходе сразу двоичный код, соответствующий положению подвижной части датчика относительно неподвижной, что особенно удобно для использования в цифровых управляющих устройствах роботов. Это существенное преимущество кодовых датчиков обусловлено их конструктивным усложнением и привело к значительному увеличению габаритных размеров, массы и стоимости. Их разрешающая способность достигает 0,05 мм для линейных и 5-20 угловых секунд для поворотных датчиков и определяется возможной плотностью нанесения штриховых отверстий на кодовой маске.

Датчики скорости используются в промышленных роботах пока сравнительно редко с целью обеспечения устойчивости в некоторых системах автоматического регулирования по положению; при этом от них обычно не требуется ни линейности, ни высокой точности. Главным образом они должны обладать хорошей чувствительностью, особенно при малых скоростях. В качестве датчиков скорости применяют различные типы преобразующих устройств:

тахогенераторы постоянного тока, представляющие собой электрические машины постоянного тока, работающие в генераторном режиме с возбуждением от постоянных магнитов либо от обмотки возбуждения, на клеммах роторной обмотки которой индуцируется ЭДС со средним значением, пропорциональным угловой скорости вращения ротора;

тахометрические асинхронные генераторы переменного тока, представляющие собой электрические машины переменного тока, на клеммах вторичной обмотки статора которых создается напряжение с амплитудой, пропорциональной угловой скорости ротора;

тахометрические синхронные генераторы с ротором в виде постоянного магнита, при вращении которого в обмотке статора индуцируется напряжение, величина и частота которого пропорциональны угловой скорости вращения;

генераторы импульсов, представляющие собой опто- электронные импульсные датчики (см. выше), образующие на выходе сигналы с частотой, пропорциональной угловой скорости вращения.

Датчики ускорения, в основном пьезоэлектрические, редко применяются в информационно-измерительных системах промышленных роботов, так как их стоимость пока еще очень велика. Практически приближенное значение ускорения звена манипулятора в каждый момент времени может быть получено в виде второй производной от перемещения с помощью конечных разностей второго порядка, вычисленных по сигналу положения, что используется в ряде случаев в промышленных роботах.

Датчики усилий используются в промышленных роботах для обеспечения безопасной работы и защиты конструкции от перегрузок. Кроме того, они. позволяют автоматизировать тонкие технологические операции, например сборочные, при выполнении которых необходим анализ ситуации в зоне контакта при взаимодействии объектов сборки и рабочего органа и соответствующее дозирование усилий. Принцип действия датчиков усилий заключается преимущественно в измерении деформаций в- элементах с известными механическими свойствами под действием рабочих нагрузок, для чего обычно применяют тензометрические датчики сопротивления (тензоре- зисторы). Кроме того, в качестве чувствительных элементов используются тензометры, полупроводниковые, пьезокерамические или пьезо- кварцевые преобразователи, миниатюрные дифференциальные трансформаторы и другие устройства. В ПР с электрическими приводами находят применение схемы измерения нагрузок по току якоря электродвигателя.

Для эффективного функционирования датчики усилий должны обладать рядом качеств - надежностью, высокой разрешающей способностью и быстродействием, обеспечивать зону безопасной работы существенно большую, чем номинальная зона обслуживания.

8.3.2. Чувствительные устройства внешней информации

Эти сенсорные устройства предназначены для активного контроля и выявления параметров состояния объектов и внешней среды в рабочей зоне робота: формы, размеров, положения и ориентации в пространстве предметов, с которыми работает робот; координат препятствий и параметров возмущений, действующих на ПР; параметров связей, налагаемых внешней средой на объекты; различных специфических свойств внешней среды, учет которых необходим при выполнении конкретной технологической операции. При этом под внешней средой понимают производственную обстановку рабочей зоны робота, включая находящиеся там предметы и объекты, в том числе технологическое оборудование, другие роботы, предметы манипулирования, а также людей.

Чувствительные устройства внешней информации должны иметь высокие надежность и точность, большой ресурс работы. Кроме того, они должны обладать малыми габаритными размерами и массой, а также достаточной жесткостью, обеспечивающей высокую точность определения положений.

По характеру воспринимаемой информации все сенсорные устройства роботов можно разделить на четыре основных вида: слуха, осязания, обоняния и зрения. Сигналы, получаемые с помощью этих устройств, представляют собой информацию, соответствующую определенному образу. В результате ее обработки можно выявить те или иные особенности объекта и окружающей среды. Наиболее емкую и важную информацию о внешней среде обеспечивают зрительные сенсорные устройства.

По виду выявляемых свойств объектов чувствительные устройства внешней информации могут быть разделены на три группы: выявления геометрических, физических или химических свойств объектов. Характерными представителями сенсорных устройств первой группы являются измерители координат (информационные линейки, сканирующие локаторы и т.п.), системы технического зрения и др. Вторая группа чувствительных устройств наиболее объемна и разнообразна; здесь, в первую очередь, следует назвать измерители усилий, плотности, упругости и т.п. К третьей группе относятся устройства для выявления химических свойств объектов и окружающей среды.

По расстоянию восприятия информации сенсорные устройства подразделяются на четыре группы: сверхближние (контактные), ближние в рабочей зоне, дальние в рабочей зоне и сверхдальние (вне рабочей зоны).

Чувствительные устройства сверхближнего действия информируют о соприкосновении с объектами и его характере. К ним относят датчики касания, проскальзывания, усилий и давлений.

Чувствительные устройства ближнего действия сообщают информацию об объектах, находящихся в непосредственной близости к рабочим органам робота на расстояниях от непосредственного контакта до нескольких миллиметров. К таким устройствам относятся различные бесконтактные датчики, например, локационные сенсоры,- дальномеры ближнего действия и др.

Информация о внешней среде по всей рабочей зоне ПР поступает от чувствительных устройств дальнего действия, к которым относятся дальномеры, координаторы, устройства технического зрения и т.п.

Чувствительные устройства сверхдальнего действия предназначены для получения информации вне рабочей зоны и применяются главным образом в подвижных роботах. К таким устройствам относятся различные навигационные приборы (например, космических и подводных роботов), локаторы и другие оптические устройства дальнего видения и системы технического зрения.

По способу взаимодействия с объектом все чувствительные устройства внешней информации роботов можно разделить на контактные и бесконтактные.

В свою очередь, по принципу получения информации контактные устройства очувствления включают тактильные и силомоментные системы, бесконтактные - локационные и системы технического зрения (СТЗ).

Такое разделение сенсорных устройств и датчиков на четыре класса обусловлено характером технологических процессов, для автоматизации которых они предназначены, и определяет особенности их конструктивного исполнения.

Тактильные сенсорные устройства

Тактильные средства очувствления, имитирующие осязательную способность человека, явились одними из первых средств очувствления роботов, благодаря своей простоте и доступности, и используются в робототехнике для получения внешней информации о контакте манипулятора с объектом.

Современные тактильные системы очувствления обеспечивают решение целого ряда задач: обнаружение контакта с объектом; определение координат и площади контактного пятна; измерение силы зажатия захватного устройства; регистрация распределения силового воздействия по площади пальцев ( губок ); определение ориентации объекта, зажатого в схвате; обнаружение проскальзывания объекта в ЗУ, определение его направления и величины; определение механических свойств объектов по степени их деформации; распознавание объектов определенного класса по их тактильному образу.

Тактильными датчиками оснащаются звенья промышленных роботов, непосредственно взаимодействующие с объектами манипулирования или с технологическим оборудованием, это захватные органы или технологические инструменты.

По виду выходного сигнала тактильные датчики подразделяются на дискретные и аналоговые. Дискретные датчики срабатывают при наличии или отсутствии объекта в захватном устройстве, в то время как выходной сигнал аналоговых датчиков пропорционален прикладываемому усилию.

дискретный датчик касания релейного (порогового) действия. Микропереключатель 1 (), являющийся основой тактильного устройства, вмонтирован в губку 2 захватного устройства и при взятии объекта 3 взаимодействует с его поверх

ностью; при этом подпружиненный контакт микропереключателя 4, перемещаясь на величину хода Ах, обеспечивает замыкание электрической цепи и пропускание тока , сигнализирующего о наличии объекта в захватном устройстве.

 Как видно из статической характеристики дискретного датчика (), его возможности ограничены способностью лишь качественной оценки ситуации - наличие или отсутствие объекта в захватном устройстве.

 В отличие от дискретного аналоговый тактильный датчик, показанный на  8.14, обладает способностью не только качественной, но и количественной оценки ситуации, позволяя контролировать величину давления в процессе захватывания объекта. Индуктивный преобразователь или металлополимерный токопроводящий элемент 1 ( 8.14,а), изменяющий свое электрическое сопротивление при деформировании, вмонтирован в губку 2 захватного устройства и при захватывании объекта 3 взаимодействует с его поверхностью; при этом токопроводящий элемент датчика, установленный на изолирующей пластине 4 и подключенный к источнику питания, деформируется в пределах величины хода Ах, непрерывно изменяя свое электросопротивление, тем самым обеспечивая соответствующее изменение выходного тока-сигнала /вых.

Как видно из статической характеристики аналогового датчика ( 8.14,6), он позволяет в процессе захватывания объекта контролировать не только наличие объекта в захватном устройстве, но и величину смыкания губок (в пределах хода Ах), а также давление губок на объект. Точность измерения расстояния датчиками релейного действия ± 0,5 мм, непрерывного действия - ± 0,01.

По характеру измеряемых параметров взаимодействия захватного устройства с объектом тактильные датчики разделяются на три группы: касания, контактного давления и проскальзывания.

Датчики касания и давления, по существу, контролируют одну и ту же физическую величину - действующую силу. Разница в том, что первые, имея порог срабатывания и являясь дискретными датчиками ( 8.13), настраиваются на определенное значение контроли- ' руемого параметра и фиксируют лишь его достижение. Вторые, являясь датчиками непрерывного типа ( 8.14), позволяют контролировать величину контактного давления в процессе взаимодействия с объектом. И те и другие могут выполняться в виде отдельных элементов либо в виде матрицы с высокой плотностью размещения отдельных чувствительных элементов.

В качестве примера приведены схемы датчиков касания. Датчик мембранного типа ( 8.15, а), применяемый для подводных работ, состоит из эластичного корпуса (например резинового) 1, выполненного в виде мембраны с усами 2, деформация любого из которых передается мембране, а постоянный магнит 3, закрепленный на ее внутренней поверхности, перемещаясь, взаимодействует на магнитоуправляемый контакт - геркон 4, замыкающий цепь электрического тока. Благодаря эластичности усов перемещение рабочего органа в направлении датчика, взаимодействующего с объектом, не вызывает его повреждения.

Другое тактильное устройство касания ( 8.15,6) выполнено в виде матрицы тактильных датчиков, установленных с высокой плотностью размещения. В токонепроводящем корпусе 1 с эластичным покрытием 2 установлена тонкая стальная пластина 3 с выдавленными в ней полусферическими мембранами 4, каждая из которых может иметь два устойчивых положения - выгнутое и вогнутое ("хлопающая мембрана"). При отсутствии контакта с объектом давление р воздуха, подаваемого во внутреннюю полость датчиков, удерживает мембраны в выгнутом состоянии. В случае касания устройством объекта и достижения пороговой величины нагрузки сферические мембраны

деформируются, переходя в вогнутое положение, и замыкают контакты 5, что обеспечивает прохождение в цепи тока-сигнала 'вых. Порог срабатывания одной мембраны не превышает 0,5 Н.

Датчики проскальзывания выдают информацию о перемещении удерживаемого объекта относительно губок захватного устройства, имитируя свойства кожного покрова пальцев человека обнаруживать проскальзывание захваченного предмета. В совокупности с другими тактильными сенсорами (касания и давления) датчики проскальзывания позволяют регулировать силу зажатия в пределах, необходимых для надежного удержания объекта и в то же время безопасных с точки зрения его возможного разрушения. Это особенно важно для манипулирования хрупкими объектами или предметами с легко повреждаемой поверхностью.

Датчики проскальзывания могут выполняться контактными, или бесконтакными. Первые включают элементы, непосредственно контактирующие с зажимаемой деталью, вторые регистрируют смещение относительно каких-либо базовых элементов конструкции.

схемы некоторых датчиков проскальзывания. Кристаллический датчик проскальзывания ( 8.16,а), контролирующий возникновение вибраций при взаимном смещении контактируемых поверхностей, вмонтирован в губку 1 захватного устройства, и состоит из металлического корпуса 2, в котором на резиновых амортизаторах 3 установлен кристалл рошелевой соли 4, выполняющий функцию преобразователя и контролирующий с сапфировой иглой 5, непосредственно взаимодействующей с удерживаемым объектом 6. При проскальзывании объекта относительно губок ЗУ возникающие вибрации воспринимаются иглой, усиливаются металлической мембраной 7 и преобразуются кристаллом, в результате на выходе образуется электрический ток-сигнал /вых.

Магнитный датчик проскальзывания ( 8.16,6), непосредственно измеряющий контактное смещение объекта, вмонтирован в губку 1 захватного устройства и состоит из обрезиненного ролика 2; прижимаемого при захватывании к объекту 3. На ролике закпреляется магнит 4, воздействующий на неподвижно установленную магнитную головку 5. При повороте ролика на некоторый угол в результате смещения объекта в магнитной головке наводится соответствующий ток /вых, позволяющий определить величину угла поворота ролика, а значит, и проскальзывания объекта Такая конструкция датчика позволяет с достаточно высокой точностью определить вес объекта по величине его проскальзывания.

Наиболее перспективным является создание тактильных устройств, в которых совмещаются различные виды осязания - касание, давление, и проскальзывание, т.е. максимально приближенные к способности кожного покрова человека. В таких устройствах при существенном усложнении конструкции значительно расширяется объем получаемой информации вплоть до возможности определения типа зажатой детали, ее конфигурации и веса, расположения и ориентации, т.е. получения так называемого тактильного образа объекта

В последние годы в научных лабораториях ведутся интенсивные исследования по созданию захватных устройств роботов, способных осязать объекты манипулирования. Принцип построения таких систем заключается в создании гибких пленок или подложек с множеством внедренных датчиков (рецепторов), электрическое сопротивление которых изменяется в зависимости от величины действующей нагрузки.

В таких матрицах, или решетках, называемых искусственной кожей , давление от объекта, вызывающее соответствующие деформации, изменяет сопротивление точек-электродов и легко преобразуется в токовые сигналы, амплитуды которых пропорциональны силам, действующим на соответствующие точки. Причем в некоторых разработках гибкая матрица с датчиками закладывается между соответствующими листами: внешним - предохранительным из электропроводящей резины - и внутренним - в виде гибкой печатной платы интегральных микросхем, обеспечивающей анализ и первоначальную переработку информации для передачи в ЭВМ системы управления.