Układy sensoryczne w robotyce

29 stycznia 2020 0

Autor:

Nowoczesne podejście do przemysłu niesie za sobą automatyzację produkcji w jak największym stopniu. Wykorzystywane maszyny i roboty projektowane są w taki sposób, aby praca człowieka opiera się jedynie na ich zaprogramowaniu. W tym celu urządzenia występujące w firmach produkcyjnych wyposażone są w specjalnie oprzyrządowanie umożliwiające kontakt z zewnętrznym na nich środowiskiem. To właśnie stosowanie układy sensoryczne umożliwiają maszynom pobieranie informacji, a następnie ich przetwarzanie przez oprogramowanie w robocie. Układem sensorycznym jest czujnik bądź zespół czujników współpracujący z układami przetwarzania i analizy informacji, odpowiadający działaniu zmysłów człowieka. Prace związanie z budową urządzeń, układów sensorycznych oraz oprogramowanie przetwarzającym informacje są uznawane za jedno z podstawowych z zadań w zakresie rozwoju robotyki.

Układy sensoryczne mające swoje zastosowanie w robotyce można podzielić na :

  • Położenia i przemieszczenia:
    – Potencjometr pomiarowy,
    – Enkoder,
    – Rezolwer,
    – Induktosyn.

 

  • Prędkości:
    – Prądnica tachometryczna.

 

  • Zmysłów

– Dotyku

*Czujniki stykowe
*Czujniki siły

– Wzroku

*Optyczne
*Systemy rozpoznawania obrazów
*Systemy oparte na sieciach neuronowych

  • Obecności i zbliżenia

– Czujnik zbliżenia
– Czujnik laserowy
– Skaner laserowy
– Sensor obecności

1. Układy pomiarowe położenia i przemieszczenia

Układy tego typu są bardzo ważnymi elementami składowymi układów regulacji automatycznej położenia. Najczęściej mają swoje zastosowanie w obrabiarkach sterowanych numerycznie (CNC) oraz robotach bramowych. Stanowią kluczowe podzespoły w jednostkach posuwowych, ponieważ decydują o dokładności pozycjonowania serwonapędów. Układy sensoryczne powinny posiadać wysoką dokładność pomiaru oraz odpowiednie przystosowanie do pracy w warunkach produkcyjnych (duże zapylenie, wysoka temperatura, drgania).

Roboty i maszyny wyposażone w ten typ układu pomiarowego charakteryzuje się koniecznością rozpoczynania pracy od konkretnego punktu bazowego, w którym następuje wyzerowanie liczników i inicjacja działania poszczególnych układów.

Potencjometr pomiarowy

Najprostsza postać czujnika analogowego. Podaje wartość położenia kątowego w postaci napięcia pod jakim znajduje się szczotka. Stosowanie w robotach jako układy pomiarowe w napędach ruchu lokalnego np. w chwytakach.

Enkoder

Jest to przetwornik obrotowo-impulsowy pracujący w sposób przyrostowy wysyła określoną liczbę impulsów na jeden obrót. Ma on bardzo duże zastosowanie w robotach i obrabiarkach sterowanych numerycznie. Dokładna analiza i opis tego rodzaju układu pomiarowego został przedstawiony w artykule Enkoder – zasada działania, rodzaje, budowa

Rezolwer

Nazywany także jako selsyn przelicznikowy. Rezolwer to wirnikowa maszyna elektryczna, której podstawowymi częściami jest stojan i wirnik. W stojanie umieszczone są dwa uzwojenia,
a na wirniku jedno. Uzwojenia stojana zasilane są prądem przemiennym o napięciu przesuniętym względem siebie o 90⁰ stopni elektrycznych. Napięcie indukowane w wirniku jest przekazywane do układu sterującego za pośrednictwem szczotek i pierścieni ślizgowych. Rezolwer jest więc przetwornikiem przekształcającym kątową wielkość obrotu wirnika na zmieniający się sygnał napięciowy. Selsyn cechuje się bardzo wysoką dokładnością pomiaru (położenie kątowe można określić z dokładnością 1/1000 pełnego obrotu), a także długą trwałością i niezawodnością działania (brak części zużywających się).

Induktosyn

Jest to indukcyjny czujnik do bezpośredniego pomiaru przemieszczenia w ruchu postępowym lub ruchu obrotowym. Induktosyn składa się z dwóch części: segmentowy liniał zamocowany do np. bramy robota pracującego w ruchu kartezjańskim oraz suwaka zamocowanego  do współpracującego elementu. Zasada działania jest podobna do pracy rezolwera, ponieważ można analizować go jak rozwinięty selsyn. Funkcję stojana pełni suwak, który posiada dwa uzwojenia o specjalnej podziałce. Natomiast liniał spełnia funkcję wirnika i ma jedno prostokątne uzwojenie. Uzwojenia suwaka zasilane są prądem przemiennym, a napięcia z dwóch uzwojeń indukują w suwaku napięcie będące funkcją położenia suwaka.

2. Układy pomiarowe prędkości

Funkcję układu pomiarowego prędkości może pełnić prądnica tachometryczna prądu stałego. Jest to maszyna elektryczna o małej mocy ze wzbudzeniem od magnesów trwałych
lub elektromagnesów. W warunkach ustalonych, przy niezmiennym strumieniu magnetycznym wzbudzenia, napięcie prądnicy tachometrycznej jest proporcjonalne do prędkości obrotowej. Największymi zaletami tego rozwiązania jest brak błędów fazowych, wysoka liniowość charakterystyk wyjściowych. Wadą będzie obecność styków ślizgowych, co powoduje większą szansę na uszkodzenie, iskrzenie i zakłócenie radioelektryczne.

3. Układy pomiarowe zmysłów

W dużej liczbie procesów produkcyjnych konieczne jest wykorzystanie informacji o stanie zewnętrznego otoczenia robota, czyli właściwości układów percepcji (zmysłów) człowieka. Przykładem są czynności kontroli wzrokowej i akustycznej maszyn i urządzeń. Układy pomiarowe zmysłów możemy podzielić na układy sensoryczne dotyku i wizyjne.

Układy sensoryczne dotyku

Typowe zadania układów sensorycznych zastępujące zmysł dotyku:
-rozpoznawanie obiektu manipulacji,
-pomiar orientacji obiektu manipulacji,
-pomiar i sterowanie parametrami chwytania,
-zabezpieczenia przed kolizja.

Czujniki stykowe

Służą do zbierania informacji o środowisku zewnętrznym. Najprostszymi czujnikami stykowymi są łączniki stykowe, które posiadają dwa położenia styków (0-1). Generują sygnał elektryczny bądź mechaniczny w wyniki przesunięcia względem kołka lub zderzaka.

 

 

Przetworniki siły i naprężeń

Przetworniki sił umożliwiają wyznaczenie miejsc charakteryzujących orientację przedmiotu manipulacji. Swoje zastosowanie znajdują w chwytakach, w których ważna jest siła chwytu danego detalu, gdyż może on ulec uszkodzeniu bądź deformacji, gdy siła będzie zbyt duża. Stosowany głównie przy robotach w produkcji opierającej się na transporcie i montażu przedmiotów manipulacji.

Układy wizyjne

Stosowane, gdy wymagane jest wykrywanie przedmiotu o zadanym kształcie lub kolorze, a następnie przyporządkowanie go do jednej z kilku klas przedmiotów. Najczęściej wykorzystywane w procesie sortowania detali lub ich kontroli wizualnej. Do identyfikacji położenia obiektów i przeszkód służą czujniki fotoelektryczne, są one szczegółowo omówione w artykule Czujniki przemysłowe – budowa, działanie i zastosowanie

Można wyróżnić trzy metody rozpoznawania obrazów: optyczne, cyfrowe i bioniczne. W optycznych metodach rozpoznających wykorzystuje się zarówno światło spójne jak
i niespójne. Są to układy składające się z układów soczewek sferycznych, cylindrycznych i mieszanych. Jedną z metod jest dopasowanie filtru przestrzennego, a podstawowym układem jest korelator optyczny, który jest w stanie dopasować kształt i charakterystyczne punktu przedmiotu do zadanego mu obrazu. Metoda cyfrową opiera się na używaniu kamer termowizyjnych. Jest to jedna z najczęściej stosowanych metod w przemyśle.  Dzięki zastosowaniu w kamerach czujników optycznych, można stwierdzić nie tylko obecność obiektów w strefie obsługi robota, ale także określić wymiary, kształt, prędkość  poruszania. W metodzie cyfrowej obraz otrzymany z kamer jest analizowany i przetwarzany w komputerze.

4. Układy pomiarowe obecności i zbliżenia

Czujnik zbliżenia

Ultradźwiękowy czujnik zbliżenia zbudowany jest z nadajnika sygnału ultradźwiękowego i odbiornika sygnału. Za pomocą odbitego sygnału ultradźwiękowego możliwe jest wykrywanie przedmiotów oraz pomiar odległości na podstawie przesunięcia częstotliwości. Posiadają duży kąt działania, co pozwala na ich zastosowanie do wykrywania przeszkód.

Czujniki laserowe

Działanie czujnika laserowego polega na tym, że wiązka spójnego promieniowania o określonej fazie jest kierowana za pomocą układu optycznego na obiekt chwytany przez robota, sygnał zaś odbity od obiektu jest wychwytywany obiektywem odbiorczym i kierowany do układu fotodetektora. Pomiaru odległości za pomocą czujnika laserowego można dokonać dwoma metodami:

– z wykorzystaniem promieniowania modulowanego impulsowo
(w takiej wersji odległość określa się na po stawie liczby impulsów, które docierają do odbiornika w ciągu określanego czasu od chwili skierowania wiązki świetlnej na przedmiot przez nadajnik),

– z wykorzystaniem promieniowania ciągłego
(w takiej wersji odległość określa się na podstawie porównania fazy promieniowania generowanego przez laser z fazą promieniowania odbieranego przez odbiornik).

Skanery laserowe

Są to aktywne czujniki wizyjne, gdyż mają wbudowane własne źródło promieniowania. Mierzą odległość na zasadzie pomiaru czasu między impulsem wysyłanym w kierunku obiektu, a impulsem powracającym od obiektu. W nowoczesnych układach swoje zastosowanie mają lasery półprzewodnikowe, które mają niewielkie wymiary, dużą moc promieniowania
i są stosunkowo tanie.

Sensory obecności

Najczęściej wykorzystuje się czujniki podczerwieni, które zawierają wielopolowy element fotooptyczny reagujące na promieniowanie podczerwone. Czujnik wykrywa różnicę temperatur obserwowanych przez poszczególne pola i na tej podstawie jest w stanie stwierdzić obecność człowieka w polu widzenia.

 

 

UdostępnijShare on FacebookShare on Google+Tweet about this on Twitter

Powiązane produkty

Newsletter
Bądź na bieżąco