Учебник - информационные системы (Глава 7)

Посмотреть архив целиком


Системы тактильного типа

ГЛАВА 7. СИСТЕМЫ ТАКТИЛЬНОГО ТИПА

Информационные средства тактильного типа реализуют сенсорную функцию ося­за­ния и являются преобразователями контактного действия. В разделе В 3.4 было отмечено, что тактильная чувствительность организма связана с проприорецепторами, которые вырабатывают сигналы в тот момент, когда происходит изменение статических и динамических факторов в опор­но-двигательном аппарате. Поэтому, тактильная система организма тесно связана с его кинестетической системой. В робототехнике принято разделять эти два вида рецепции, возлагая на тактильную рецепцию задачу определения силовых факторов в захватном устройстве (ладони руки). Более того, считают, что непосредственно кожная чувствительность (осязание) реализуется системой тактильных датчиков, а силовая чувствительность запястья (связанная с захватом и удержанием предмета) - силомомомен­т­ной системой. Последняя может использовать как специализированные тактильные датчики, так и датчики динамических величин, рассмотренные в разделе 4.2.

Таким образом, применительно к роботу будем считать, что тактильные датчики служат для определения вариаций давления на рабочих поверхностях исполнительного механизма. Датчики же, регистрирующие изменение динамических соотношений в сочленениях исполнительного механизма при их взаимном перемещении, а также динамические напряжения в теле манипулятора включим в состав силомоментной информационной системы. Учитывая общность функций рассмотренных информационных средств, отнесем их к клас­су систем тактильного типа.

Системы тактильного типа наиболее часто используются в задачах механической обработки и сборки, абразивной зачистки, шлифовке поверхностей, упаковке, разборе деталей из навала и т.д. Представляют интерес процессы контроля усилий при резании и сборке деталей, регулирования давления в гидросистемах станочного и специального оборудования и многих другие процессы, где необходимо обеспечить заданные силовые показатели. Существенно, что в роботах тактильная рецепция, в отличие от других сенсорных функций, реализуется не локализованной в прост­ранстве системой анализаторов, а большим количеством разнотипных датчиков, «рассеян­ных» по всей поверхности исполнительного механизма. Обычно для силового (тактильного) очувствления манипулятора используются определенные зоны, расположенные либо на исполнительном механизме, либо на объекте работы (табл. 7.1).

Таблица 7.1. Зоны тактильного очувствления роботов

Структура информационной системы

Открытая

Связанная

Объект

Захватное устройство

Манипулятор робота


Губки схвата

Запястье

Шарнир

Звено

Плечо

Pn

Sk

r

j

i

rm




В табл. 7.1 выделены шесть зон очувствления, а также обозначены следующие силовые факторы: Pn и j - компоненты вектора усилий, возникающие на объекте манипулирования и в шарнирах манипулятора, Sk и r - деформации губок схвата и запястья соответственно, i и rm - деформации пле­чевого сустава и основания манипулятора.

Силомоментные системы используются для определения силовых факторов, возникающих в контактной зоне с целью идентификации, т.е. распознавания этого контакта. Их идеология построения предполагает «локализа­цию» сенсорной функции, т.е. оснащение датчиками сравнительно небольшого объема манипулятора, или объекта манипулирования (внешней среды). При этом механическая жесткость системы «манипулятор-объект» по­лагается достаточно высокой, так, чтобы ее упругие свойства «сосредотачивались» непосредственно в датчиках, т.е. местах разрыва кинематической цепи. Датчики сил и моментов или многокомпонентные силомоментные датчики (СМД) служат для определения силовых параметров в зоне контактного вза­имодействия в векторном пространстве силовых факторов. В отличие от них, тактильные датчики служат для определения характеристик кон­тактного пятна с целью получения тактильного образа. Их структура инвариантна к жесткости системы «манипулятор-объект», и строится по прин­ципу «ин­формационных поверхностей». Тактильные датчики используются с целью геометрического распознавания внешней среды в двух- и трех­мерном геометрическом пространстве.

7.1. Общие положения

Анализ технологических операций применяемых в основных отраслях производства и в специальных задачах показал, что более 60% из них связаны с контактным взаимодействием исполнительного механизма с внешней средой (все виды сборки и механообработки, склеивание, упаковка и др.). Автоматизация этих операций предполагает использование систем силомоментной адаптации, построенных на основе силомоментных систем и тактильных датчиков.

В общем случае, обработка тактильной информации в робототехнике осуществляется в четыре этапа: обнаружение контакта, его локализация (определение характера контакта), измерение кон­тактных усилий и распознавание контактной ситуации (или так­тильного образа). Контактное взаимодействие объектов характеризуется шестикомпонентным вектором F = (F0, M0)T, действую­щим в некоторой системе не свя­занных с роботом координат (рис. 7.1): F = (Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz)Т. Здесь F0, M0 - вектор сил и вектор моментов соответственно. Вектор F получил название главного вектора контактных сил и моментов. Применительно к операциям сборочного типа, например, он образуется системой сил, возникающих в точках контакта объектов сопряжения (точки a и b на рис. 7.2а). Обычно при составлении модели сборки ограничиваются рассмотрением цилиндрических объектов, сопрягаемых с некоторым технологическим зазором . В этом случае, зазор определяется выра­же­нием: = D - d cos , где d и D - диаметры сопрягаемых деталей (вала и втулки), - угловая несоосность. Считается, что контакт объектов сборки - точечный, и при этом количество точек контакта в процессе сопряжения изменяется от одной в момент касания до двух. Контактные усилия N1 и N2 при сборке варьируются в широких пределах, и при некоторых значениях может возникнуть заклинивание. В этом смысле, целью силомоментной системы является недопущение ситуации заклинивания.

Для операций типа абразивной обработки (рис. 7.2б) контакт подразумевается одноточечным. Под Fк и Fр обозначены радиальная сила и сила резания.

Для автоматизации указанных операций, как правило, приходится переводить силовые факторы из одной системы координат в другую. В частности, при управлении роботом такой системой координат является система XYZ, связанная со стойкой манипулятора (рис. 7.1). Подобный пересчет требует наряду с датчиком усилий также и датчик положения, определяющий координаты точки контакта P относительно системы XYZ. Следовательно, если датчик силы производит измерения в системе координат объектов O1X1Y1Z1, то для случая статического равновесия получим:

F0 = F и M0 = F Rf, или

(F0x, F0y, F0z) = (Fx, Fy, Fz) и (M0x, M0y, M0z) = (Fz Rfy - Fy Rfz, Fx Rfz - Fz Rfx, Fy Rfx - Fx Rfy)

Нетрудно видеть, что F0x M0x + F0y M0y + F0z M0z = 0

Данное выражение позволяет вычислить точку контакта по измеренным значениям F0 (на­при­мер, установив датчик в основание робота), если задана хотя бы одна координата - высота Rfz. (В частном случае, при Rfz = 0 использование трехкомпонентного силового датчика позволяет найти центр тяжести плоской детали).

7.2. Принципы силомоментного очувствления роботов

Системой силомоментного очувствления (ССО) робота называется СИС, включенная в его кон­тур уп­рав­ления и предназначенная для измерения компонент главного вектора сил и моментов, действующих на схват или инструмент манипулятора и формирования логического или непрерывного управляющего воздействия на исполнительный механизм в проекциях на связанную с ним систему координат. Типовая структура ССО при­ведена на рис. 7.3. В отличие от СТЗ вычислительные средства ССО обычно локальны и реализуются на базе контроллеров и однокристальных ЭВМ.

Современные ССО классифицируются по трем ос­новным признакам.

  1. По принципу измерения компонент главного вектора нагрузки: системы прямого измерения (вклю­­чают СМД, устанавливаемый в раз­рыве кинематической цепи), системы косвенного измерения (ис­пользуют вариации моментов нагрузки в приводах).

  2. По способу очувствления: «очувствленный манипулятор» и «очувствленная среда».

  3. По объекту управления: управляется непосредственно мани­пулятор робота и управляется автономный модуль.

Учитывая данную классификацию, выделяют пять типовых вариантов построения ССО (табл.7.2).

Таблица 7.2. Схемы построения ССО роботов

Вариант

(тип ССО)

Принцип измерения

Место установки СМД

Управляемый механизм

прямой

косвенный

на манипуляторе

вне манипулятора

манипулятор

автономный модуль

1

+


+


+


2

+


+



+

3

+



+

+


4

+



+


+

5


+



+



Так, например, первый вариант построения ССО предполагает управление манипулятором с помощью установленного на нем СМД. Рассмотрим эти варианты подробнее.

Заметим, что определение реакции между предметом в захватном устройстве робота и некоторой поверхностью (при абра­зивной обработке), или двумя предме­тами (при сборке) возможно несколькими способами. Обычно выделяют три: «очувствление» рабочей среды (в этом случае объ­­ект устанавливается на оснащенную датчиками платформу), «очувствление» за­хватного устройства или за­пястья робота, а также использование информации об усилиях, действующих на приводы робота через следящую систему.

Способ «очувствления» рабочей среды был разработан в Сте­нфордском исследовательском институте (США) П. Уотсоном и С. Дрейком (рис. 7.4). В соответствии с ним измерение силовых факторов проводилось на системе из трех подвижных платформ, оснащенных датчиками. Вне­шние силовые факторы F и M вызывают взаимное перемещение платформ, измеряемое вдоль осей X, Y, Z с помощью восьми тензодатчиков, расположенных между платформами. Обозначив буквами и сигналы с тен­зодатчиков, а l сторону платформы получим:

Fx = 4 + 2, Fy = 3 + 1, Fz = 2 + 4 + 1 + 3,

Mx = [(4 + 1) - (3 + 2)] l/2, My = [(4 + 3) - (1 + 2)] l/2, Mz = (1 - 2 - 3 + 4) l/2.

Тогда, если на платформу действует некоторая сила, то координаты точки ее приложения P определяются выражениями:

Zp = 0, Xp = - My/Fz, Yp = Mx/Fz.

В частности, по показаниям датчиков i (i = 1 ... 4) можно вычислить положение центра тяжести объекта Rцт, установленного на платформе и его изменение во времени:

Fx = Fy = 0, Fz = 2 + 4 + 1 + 3, Mx = [(4 + 1) - (3 + 2)] l/2, My = [(4 + 3) - (1 + 2)] l/2, Mz = 0.

Если же в качестве объектов используются сборочные единицы, то проекции центра тяжести, например, втулки, однозначно определяются по формулам:

и

Указанные зависимости использовались при формировании закона управления роботом при сборке цилиндриче­ской пары.

При «очувствлении» рабочей среды возможно появление значительных динамических ошибок из-за инерционности платформ. Кроме того, такой подход усложняет организацию рабочего места. Поэтому, многие структуры СИС используют многокомпонентные СМД, расположенные на схвате, макси­мально близко к области, в которой возникают усилия. (Первые разработки в области роботизированной сбо­рки с использованием СМД проводились К. Розеном, Р. Грумом и А. Бейтси в США, а также Т. Гото в Японии).

В рамках концепции «очувствленного запястья» существует несколько конструктивных схем СМД. Выбор той или иной схемы определяется реализуемым принципом силомоментной адаптации. Различают три основ­ные модели: активная силомоментная адаптация, пассивная аккомодация и «адаптивное запястье».

Модель активной силомоментной адаптации является наиболее распространенной. В соответствии с ней СМД выполняется в виде совокупности упруго-чув­стви­тельных элементов, измеряющих силовые факторы по трем осям связанной с ним системы координат (рис. 7.5). Первый подобный датчик был разработан сотрудником Массачусетского технологического института (США) В. Шейнманом в 1951 г. Управление приводами исполнительного ме­ханизма осу­ществляется по информации от СМД. Системы этого типа впервые позволили избежать заклинивания при сборке цилиндрической пары: еще в 1976 г. П. Уотсон осуществил установку цили­ндра ди­аметром 40 мм в отверстие с допуском 15 мкм за 0,2 с.

Модель пассивной аккомодации предназначена для сборочных операций и основана на построении СМД в виде пассивного центрирующего устройства. В этом случае, измерения силовых факторов не производится, а сопряжение объектов осуществляется за счет специальной конструкции центрирующего устройства. Наиболее известная конструкция, названная устройством с вынесенным центром подат­ли­вости или RCC (от англ. Remote Cen­ter Compli­an­­ce), была раз­работана в 1972 г. сотрудником Сте­н­фордс­кого исследовательского института Ч. Дре­й­пером (рис. 76)

Устройство, закрепленное в запястье манипулятора, состоит из двух функциональных модулей - силового, представ­ляющего собой упругий параллелограмм и моментного в виде упругого треугольника (рис. 7.6а). Упругие элементы (УЭ), в качестве которых используются штыри на упругих шарнирах, испытывают деформации изгиба под действием четырех ком­понент главного вектора сил и моментов Fx, Fy, Mx и My. В ненагруженном состоянии фокус устройства (точ­ка f), являющийся точкой приложения силовых факторов и совпадающий с точкой контакта объектов находится на оси захватного устройства. При действии компонент Fx и Fy деформируются УЭ силового модуля, смещая фокус в направлении действующей силы (рис. 7.6б). При возникновении моментов Mx и My происходит деформирование УЭ моментного модуля, и ось устройства поворачивается относительно оси симметрии на некоторый угол (рис. 7.6в). В результате действия указанных силовых факторов фокус f всякий раз перемещается в направле­нии дейст­вующей компоненты. (На рис. 7.6 показаны деформации устройства под действием ком­понент Fx и My). В настоящее время существует много модификаций схемы RCC. В большинстве из них вместо штыревых УЭ применяются эластомерные кон­ст­рукции.

Достоинствами средств пассивной аккомодации типа RCC является возможность «слепой» сборки цилиндрических объектов при на­­чальных рассогласованиях до 1 … 3 мм и 2 … 50 и простота конструкции. В то же вре­мя, этот подход не позволяет проводить операции с контролем качества (выдержкой заданных усилий) и применим преимущественно для осевой сборки. В настоящее время по­доб­ные упругие устройства применяются совместно с соответствующими поисковыми алгоритмами. Так, сборка цилиндрической пары классу H6-G7 выполняется за 2 ... 8 с (В. Халил и П. Борель, США).

Модель адаптивного запястья, учитывающая достоинства обо­­их подходов, связана с использованием систем активно-пас­сив­ной адаптации (рис. 7.7). Она была разработана сотрудником фирмы Hitachi (Япония) T. Готo в 1982 г. Устройства, по­строенные в соответствии с данным подходом используются в сбор­­ке ти­па «вал-втулка» с допусками менее 2 мкм, абразивной обработке и других операциях с замкнутой кинематиче­ской цепью.

Наконец, способ косвенного измерения вообще не требует никакого дополнительного оснащения манипулятора. Здесь используется тот принцип, что если робот содержит привода с обратимыми редукторами, то любая сила, дей­ствующая ни­же некоторого i-го сочленения исполнительного механизма, ока­зывает влияние на все движущие моменты, управляющие со­чле­не­ни­ями выше данного (рис. 7.8). Тогда, внешнее воздействие F можно определить, измеряя разность меж­ду моментами в приводах (кос­венно, например, через токи двигателей) при его наличии и отсутствии. В состоянии равновесия имеем:

P + Г = 0,

здесь P - вектор моментов, возникающих под действием веса звеньев робота, Г - вектор моментов в сочленениях.

Сила реакции внешней среды F создает вектор момента M и уравнение равновесия изменяется:

P + Г + M = 0,

где M - вектор момента от силы F.

Оба уравнения соответствуют одной и той же конфигурации q0, когда следящая система робота поддерживает заданные значения углов q = q0. Используя принцип виртуальных работ, запишем

FТ x = ГТ q + PТ q,

При этом, x = JТ(q) q. Здесь J(q) - матрица Якоби, связывающая прост­ранство задачи с пространством обобщенных координат. Тогда получим:

FТ = ГТ J-1(q) + PТ J-1(q).

Следовательно, внешняя сила F вычисляется косвенно через моменты в приводах Г, при известной кинематической схеме манипулятора J(q) и его весовых параметрах P. Заметим, что когда манипулятор принимает син­­гулярную конфигурацию, при которой det J(q) = 0, производить измерения нельзя.

Этот подход, предложенный Р. Полом для сбор­ки узлов водяного насоса в проекте «Stanford Arm», вызвал большой интерес и использовался также Х. Иноки, П. Борелем и др. Однако, очевидное достоинство способа, связанное с его практичностью и дешевизной решения не компенсируется недостатками. Важнейшее из них - неоднородность инерционных сил робота в зависимости от его конфигурации, наличия груза, упругости в шарнирах и т.д. требует очень точного моделирования динамики.

7.3. Датчики систем силомоментного очувствления роботов

В настоящее время более 80 крупных фирм выпускают ССО и отдельные СМД роботов.

Основным элементом ССО робота является СМД, осуществляющий разложение много­компо­нент­ного вектора F по компонентам век­тора электрических сигналов U. Дальнейшее преоб­разо­вание инфор­мации, в том числе и формирование управляющих воздействий в систему управления (СУ) робота реализуется либо непосредственно в датчике (концепция «интеллектуального СМД»), либо в уп­равля­ю­щем процессоре СУ робота.

Структурно СМД представляет собой мно­гоканальную измерительную систему в виде совокупности уп­ру­гих и чув­стви­те­ль­ных элементов, специ­аль­ным образом ориентированных в пространстве (рис. 7.9). Процедура преобразования информации в СМД заключается в полу­чении вектора электрических сигналов U, компоненты кото­рого пропорциональны компонентам гла­вного вектора сил и моментов F. Следовательно, функцию преобразования СМД можно описать выражением: U = S F, где S - матрица чувствительности. Данное преобразование реализуется в три этапа:

  • шестикомпонентный вектор F раскладывается в базисе УЭ и регистрируется ЧЭ датчика: el = f(F, R), R - вектор пе­ре­ме­щения центра измере­ний;

  • сигналы с ЧЭ суммируются измерительной цепью СМД и но­р­мируются с помощью изме­ри­тельного усилителя: U = f(el) ;

  • вычисляется действующее значение: F = f(U).

Под центром измерений обычно понимается точка приложения вектора F.

Включение такой системы в контур управления робота, приводит к существенному влиянию ее параметров на динамические характери­стики и точность приводов. Особенно большое вли­яние оказывает конструкция СМД; именно через нее осуществля­ется замыкание кинематической цепи робота. Поэтому к датчикам ССО предъявля­ются сле­дующие требования:

  • высокая жесткость (собственные резонансные частоты с характерной массой, например, схватом, не менее 50 Гц);

  • уровень перекрестных связей между каналами измерения, не более 5%;

  • высокая линейность и малый гистерезис ( л и г, не более 1%);

  • быстродействие (время преобразования) Tп, не более 0,01 с;

  • малые массогабаритные и инерционные характеристики УЭ.

В настоящее время, промышленно выпускаются десятки моделей СМД. При этом все известные решения выполняются в рамках одной из двух базовых концепций построения ССО:

  • используются простые конструктивные схемы датчиков, требующие сложных вычислительных операций для определения компонент,

  • разрабатываются пространственно сложные конструк­ции, не требующие дополнительных вычислений.

Включение СМД в кинематическую цепь манипулятора предполагает, что его собственная жесткость должна быть ниже жесткости исполнительного механизма. Конструктивно любой СМД представляет собой пространственную пружину, допускающую упругое перемещение центра измерений относительно трех осей координат. Это перемещение в пределах зоны упругости описывается известной зависимостью: F = C R, где С - матрица жесткости СМД. Коэффициенты матрицы жесткости характеризуют величину номинальных деформаций УЭ датчика. Вид матрицы жесткости определяет перекрестные связи в механическом преобразователе и указывает, в каких направлениях будет перемещаться центр измерений СМД под действием некоторой компоненты вектора F. Следовательно, матрица жесткости является важнейшей характеристикой СМД, описывающей как параметрические, так и структурные свойства конструкции. Первые характеризуют собственно жесткость каналов измерения, вторые - перекрестные связи между ними. Эти признаки обычно применяют при классификации СМД.

  1. По значениям коэффициентов жесткости конструкции различают: СМД высокой жесткости (используются измерители де­формаций) и низкой жесткости (используются с измерителями перемещений).

  2. По типу матрицы жесткости: соответственно СМД с матрицей жесткости общего вида и СМД с «разреженной» матрицей жесткости.

В зависимости от типа матрицы жесткости C преобразование вектора F в вектор U производится либо в вычислительном модуле СМД (для датчиков простой формы), либо непосредственно в его конструкции (для дат­чиков с преимущественно механическим разделением компонент).

Наиболее распространенными измерителями де­формаций являются ТР, а также пьезо- и магнитострикционные преобразователи, измерителями перемещений - оптронные пары или электромагнитные (реже - электростатические) ЧЭ.

Проведем краткий обзор основных конструктивных схем СМД.

СМД высокой жесткости строятся на базе УЭ типа балок равного сечения с наклеенными на них ТР. В системах управления сборочными манипуляторами широко используются запястные СМД, с матрицей жесткости общего вида. Базовые схемы таких датчиков были разработаны в середине 70-х годов ХХ века в Лаборатории Дрейпера (США) и Католическом Университете (Бельгия). Пример одной из них представлен на рис 7.10. Конструктивно датчик представляет собой два фланца, связанных между собой УЭ. При деформации фланцы упруго перемещаются друг относительно друга. На внутренней стороне трех (в других моделях - четырех) УЭ наклеены фольговые ТР, измеряющие деформации растяжения-сжатия, а на внешней стороне - сдвига. Поскольку, в каждом УЭ возникают деформации от всех шести компонент вектора F, функция преобразования датчика опи­сывается матричным уравнением общего вида: U = S F, S - где матрица чувствительности. Каждая компонента вектора U является линейной комбинацией компонент вектора F. Для вычисления значений компонент вектора F необходимо провести обратное преобразование: F = S-1 U, где S-1 - матрица обратная к матрице S.

Коэффициенты матрицы чувствительности sij (i, j = 1 … 6) определяются при тарировке СМД. С этой целью к нему поочередно вдоль каждой координатной оси прикладываются силы и моменты заданной величины и определяются уровни выходных сигналов ui с каждого из ТР. В пределах упругости коэффициенты sij полагаются постоянными и их значения указываются в паспорте на датчик.

Если матрица S не квадратная (прямоуголь­ная), то расчеты проводят на основании псевдообратной матрицы S*-1, равной: S*-1 = (ST S)-1 ST .

Датчики с матрицей жесткости общего вида при значительных габаритах измеряют достаточно высокие значения моментных компонент вектора нагрузки. Так, для датчика, представленного на рис. 7.11, с диаметром 120 мм, высотой 20 мм и размерами УЭ 61,5 мм диапа­зон из­мерения по силам составляет от 200 Н - для компонент Fx, Fy до 400 Н для Fz и моментам от 10 Нм для Mx, My до 20 Нм для Mz. Порог чувст­вительности по всем компонентам достигает 0,05%, максимальный уровень выход­ного сигнала 10 мВ.

Очевидны достоинством СМД с матрицей жесткости общего вида, является простота конструкции, что делает их весьма привлекательными для использования в робототехнике. Однако датчики этой группы обладают и существенными недостатками. Так, поскольку каждый из УЭ должен рассчитываться на действие всех компонент нагрузки, это приводит к низкому значению коэффициента использования диапазона линейных деформаций. Кроме того, таким датчикам свойственна разная чувствительность каналов измерения и низкое быстродействие (значительное время вычисления компонент).

Указанные обстоятельства привели к тому, что в современных ССО все чаще используются СМД с преиму­щественно механическим разделением компонент, очувствляющие захватное устройство, рабочую среду или запястье робота. Примерами таких датчиков являются конструктивные схемы, разработанные фирмой IBM (США) и Токийским университетом. Схема шестикомпонентного СМД, очувствля­ющего «пальцы» захватного устройства манипулятора строится из шести одинаковых взаи­моза­меняемых УЭ балочного типа. Каждый палец схвата (а всего конструкция СМД включает два пальца) представляет собой шесть модулей с ТР ЧЭ, плоскости которых ориентированы в трех взаимно перпендикулярных плоскостях (рис. 7.11). Центр измерений СМД совпадает с кончиком пальца (точка О). Любую силу, или момент, действующие на захватное устройство можно представить в виде проекций на оси подвижной системы координат OXYZ. Если сигналы с каждого ЧЭ обозначить Ui (i = 1… 6) и зная размеры УЭ, можно определить искомые проекции вектора сил и моментов F:

Fx = (U1 - U2)/(z1 - z2),

Fy = (U6 - U5)/(z6 - z5),

Fz = [U3 + Fy (z0 - z3) - Mx]/(y0 - y3),

Mx = [-U5(z0 - z6) + U6 (z0 - z5)]/(z6 - z5),

My = [U1 (z0 - z2) - U2 (z0 - z1)]/(z1 - z2),

Mz = U4 + Fx (y0 - y4).

СМД подобного типа использовался в роботизированном комплексе сборки узлов пишущих машинок. (Диапазон измерения сил составлял: 0 ... 10 Н, максимальный выходной сигнал при использовании полупро­воднико­вых ТР - 1В).

Схема «мальтийского креста» использует только изгибные УЭ (это обеспечивает примерно равную чувствительность каналов) и частичное разделение компонент при сравнительно простой конструкции механического преобразователя (рис. 7.12). Датчик содержит четыре УЭ (балки), связанные через внутренний фланец (на рисунке не показан) с запястьем робота, а через четыре упру­гие мембраны с внешним фланцем. Внешний фланец СМД соединен с захватным устройством. Сигналы U с во­сьми ТР, установленных попарно на каждом УЭ связаны с главным вектором сил и моментов F выражением: U = S F, где матрица чувствительности СМД S имеет вид: .

Матрица жесткости C, связывающая компоненты вектора F и вектора перемещений центра измерений X (центра координат или центра симметрии) такого СМД диагональна: F = C X, C = diag cij; (i, j = 1, 2, .. 6). Запястные датчики типа «мальтийский крест» позволяют строить прецизионные ССО высокого быстродействия.

Во всех рассмотренных примерах СМД в качестве ЧЭ использовались измерители деформаций. Если же к датчику предъявляются требования малой жесткости, то ЧЭ целесообразно строить на базе измерителей перемещений. Наиболее известными ЧЭ этого типа являются электромагнитные, реже емкостные (электростатические) преобразователи. Как правило, СМД с измерителями перемещений не обладают высокими метрологическими характеристиками, и, поэтому, измерение в них выполняет лишь вспомогательную (контрольную) функцию. Заметим, что схемы на базе электромагнитных ЧЭ обладают большой мощностью выходного сигнала и не требуют использова­ния усилительных схем, однако их функция преобразования нелинейна. Диапазон измерения сил составляет 102 Н ... 107 Н. Что касается СМД на базе емкостных преобразователей, то для них характерны сравнительно малые размеры и широкий диапазон измеряемых усилий, однако они требуют применения высоких несущих частот (для снижения утечек) и имеют повышенную чувст­ви­тель­ность к загрязне­нию. В то же время, линейность таких датчиков высока, и они стабильны до очень высоких температур. Использование высоких несу­щих частот обеспечивает хорошую помехозащищен­ность к маг­нитным полям. Диапазон измерения сил лежит в пределах 10-3 Н ... 107 Н.

На рис. 7.13а представлена схема СМД малой жесткости RCC-типа. ССО, использующие СМД с подобной конструктивной схемой, объединяют достоинства активного и пассивного принципов адаптации. УЭ датчика выполняются на базе эластомерных структур, обладающих преимущественно одно­осным напряженным состоянием. Эластомер (рис. 7.13б) представляет собой набор из чередующихся резиновых и металлических дисков малой толщины склеенных между собой. Такая конструкция обладает достаточно высокой жесткостью на сжатие и легко деформируются на сдвиг, являясь, таким образом, УЭ сдвигового типа. Перемещения центра измерений СМД (его фокуса) производится четырьмя оптронными датчиками (светодиод и четыре фотодиода). При малых перемещениях фокуса четыре компоненты век­тора F определяются из линеаризован­ных уравнений вида [ ]:

;

;

Здесь U1U4 - выходные сигналы фотодиодов, L1 и L2 - базовые размеры оптронного блока. СМД данного ти­­па при размерах 12565 мм обладает невысокой жестко­стью ( 104 Н/м и 102 Нм/рад) и, в принципе, может работать как датчик перемещений. Приведем основные характеристики датчика - диапазон измерения: перемещений 2мм, сил - 0 ... 30 Н, моментов - 0 ... 1,5 Нм, основная погрешность = 5%, уровень перекрестных связей ij = 5%., разрешающая способность при измерении перемещений 2,5 мкм.

Принцип очувствления рабочей среды реализуется 4-ым вариантом ССО, включающим «очув­ствлен­ный» монтажный сто­лик, оснащенный приво­дами «точного» позиционирования и шестиком­по­нент­ный СМД, установленный в основании сто­лика. Схема разработана M. Касаи в Токийском университете, Япония (рис. 7.14). Нижняя часть датчика сборочной системы, выполненная в виде плоского креста, используется для определения компонент Мх, Му, Fz, а верхняя - компонент Fx, Fy, Mz. ТР на нижней крестовине (УЭ 5, 6, 7, 8) измеряют деформации изгиба, в то время как на верхней (УЭ 1, 2, 3, 4) - сдвига. Основные соотношения для определения компонент имеют вид:

Fx = U2 - U4,

Fy = U1 - U3,

Fz = U5 + U6 + U7 + U8,

Мх = U6 - U8,

Му = U5 - U7,

Mz = U1 + U2 + U3 + U4.

Чувствительность СМД составляет 0,1%, при диапазоне измерения сил 0 ... 20 Н, моментов 0 ... 0,1 Н м. «Адаптивный сборочный столик» использовался в задачах прецизионной сборки. Достоинством схемы является высокое быстродействие, т.к. управляющие сигналы поступают непосредственно на приводы исполнительного механизма. В то же время, собственно датчик не лишен недостатков: его каналы обладают разной чувствительностью (для каналов с изгибными деформациями она на порядок выше, чем со сдвиговыми). Кроме того, наличие инерционных составляющих вызывает динамические погрешности.

7.3.1. Упругие элементы и измерительные це­пи силомоментных датчиков

Несмотря на все многообразие конструкций СМД все они строятся на базе однотипных УЭ. Как известно, напряженное состояние, возникающее в материале УЭ, в значительной степени определяется его формой. При расчете упругих конструкций обычно выделяют четыре типа напряженных состояний: растяжение-сжатие, изгиб, сдвиг и кручение. Поэтому, и в конструктивных схемах СМД стараются использовать УЭ, деформации которых можно отнести к одному из указанных типов. В однокомпонентных датчиках так и поступают - УЭ испытывают дефор­мацию оп­ределенного типа. В многокомпонентных СМД это­го добиться труднее, в частности, в рассмотренных ранее конструкциях возникали напряженные состояния разных типов. Тем не менее, для обеспечения равной чувствительности каналов измерения стремятся уменьшить количество типов напряженных состояний в конструкции УЭ. При этом говорят, что данный датчик обладает преимущественно однотипным напряженным состоянием. Раз­личают три типа УЭ СМД: продольные (испытывают де­формацию растяжения-сжа­тия), изгибные и сдвиговые.

Выбор того или иного типа УЭ зависит от величины измеряемых усилий, причем датчики одного назначения могут строиться на базе разных УЭ. Характерным примером являются весы. Так, в однокомпонентных весах могут исполь­зоваться продольные УЭ, например, при измерении веса железнодорожных вагонов и изгибные - в ювелирном деле. Обы­чно, при расчете СМД полагают, что его конструкция представляет собой набор простых УЭ, в которых возникают либо однотипные напряженные состояния, либо их комбинации. Под простым УЭ в большинстве случаев понимают балку равного сечения, испытывающую напряженное состояние растяжения-сжатия, изгиба или сдвига (рис. 7.15а - в). Заметим, что при кручении также возникает сдвиговое напряженное состояние. Для измерения деформации УЭ на его поверхности монтируются ЧЭ. Устанавливая ЧЭ попарно с разных сторон УЭ можно не только определить величину действующего силового фактора, но и его знак (рис. 7.15г). Однако даже при использовании однотипных УЭ нельзя не учитывать паразитные составляющие нагрузки, обусловленные самыми разными причинами. (На рис. 7.15а-в паразитная составляющая обозначена F). Например, в однокомпонентных конструкциях с продольными УЭ невозможно полностью устранить поперечную составляющую F, вызванную, например, непараллельностью линии действия силы и оси датчика. Особенно остро эта проблема стоит в многокомпонентных СМД, где поперечную компоненту невозможно устранить в принципе. Для ее частичной компенсации строятся специальные симметричные механические преобразователи. Подробное рассмотрение этих вопросов приводится в [ ]. Таким образом, в многокомпонентых СМД, как и любых многоканальных измерительных системах между каналами измерения возникают перекрестные связи, описываемые коэффициентом влияния ij. В табл. 7.3 приводятся формулы для определения деформаций под действием разных влияющих факторов простых УЭ.

Таблица 7.3. Сравнительный анализ разных типов УЭ

Тип

УЭ

Деформация

Коэффициент влияния,

ij = l/l

измеряемая

Паразитная

Продольный

l = F/Ebh

l = F/Ebh

Изгибный

l = 6Fl/Ebh2

l = F/Ebh

h/6l

Сдвиговый

l = 3F/4Gbh

l = (1-) F/2Ebh

2(1-)G/3E

Обозначено: E, G - модули упруго­сти 1-го и 2-го родов, - коэффициент Пуассона ( = 0,3), l - измеряемая деформация, l - деформация УЭ в поперечном направлении, l, b и h - длина, ширина и тол­щина сечения УЭ. Модуль упруго­сти 2-го рода G, называемый также поперечным модулем сдвига, определяется выражением:

.

В конструктивных схемах современных СМД чаще всего используются УЭ изгибного типа. Это обусловлено большей чувствительностью изгибного УЭ Sуэ = F/l.. Тем не менее, при расчете УЭ приходится учитывать реальные соотношения между изгибными, сдвиговыми напряжениями и напряжениями растяжения-сжатия в материале. Их абсолютные значения и соотношения определяются размерами УЭ. При использовании УЭ балочного типа (b >> h), его чувствительность к соответству­ющей компоненте при F = F можно определить из выражений: Sуэ изг = 6l/Ebh2, Sуэ сдв = 3(1+)/2Ebh и Sуэ р-с 0. Следовательно, коэффициент влияния поперечной (сдвиговой) компоненты на измеряемую (изгибную) будет равен сдв/изг = h(1+)/4l.

Чувствительность СМД с изгибными УЭ Sуэ изг зависит не только от толщины и ширины УЭ, как у продольного и сдвигового УЭ, но и от его длины. Поэтому, в схемах СМД с изгибными УЭ, существуют зна­чительно больше возможностей выбора диапазона измеряемых нагрузок.

Максимальное разделение деформаций дости­гается применением в СМД дифференциальных схем УЭ. В такой схеме точка приложения сило­вого фактора совпадает с «центром измерения» датчика, при­чем его перемещение осу­ществляется строго в на­правлении действующей ком­поненты. Примером такого УЭ является изгибная балка на двух симмет­ричных опорах (рис. 7.16). Большим достоинством дифференциальных схем СМД является возможность привести матрицу жесткости к диагональному виду, и, тем самым, теоретически компенсировать перекрестные связи в конструкции. В этом случае, перекрестные связи в датчике будут обусловлены уже не конструктивными факторами, а только технологическими причинами (качеством наклейки ТР, их соосностью и т.д.) и составлять не 15 … 20%, а всего лишь 1 … 3%.

В табл. 7.4 приведены некоторые формулы для расчета УЭ датчика.

Таблица 7.4. Некоторые характеристики основных схем изгибных УЭ

Тип УЭ

Схема

Деформация

Прогиб

линейный угловой


Консольный

F


M


Дифференциальный (шарнир)


F


M



Дифференциальный (заделка)


F


M





Обозначено: , - прогиб и поворот центра измерения СМД под действием силового фактора, I - момент инерции сечения. Для прямоугольного сечения: .

Деформации и перемещения характерных точек УЭ воспринимаются различными ЧЭ, жестко связанными с ними. Самым распространенным ЧЭ, который используется при построении многокомпонентных СМД, является ТР. Малые габариты и удобство размещения ТР на поверхности УЭ позволяют строить компактные СМД, встраиваемые в кинематическую цепь манипулятора. Каждый ТР измеряет деформацию УЭ непосредственно в месте закрепления, поэтому их совокупность образует схему с действительным ин­тег­рирова­нием, эф­фек­тив­ность которого определяется коли­че­ством измерителей деформации. Интег­ри­рование осуще­ствля­ется суммирующей (изме­рительной) цепью в виде потенциометрической или мостовой схемы (рис. 7.17). Обозначено: R1 ... R4 - рабочие ТР, R5 ... R9 - ком­пенсационные ТР (они используются для компенсации температурных коэффициентов нуля ТКН и чувствительности ТКЧ, со­­ответственно), R -внутреннее сопротивление источника питания. (Если R = 0 - речь идет об источнике напряжения, если R = - то об источнике тока).

Все ЧЭ (за исключением термокомпенсирующих) располагаются в местах наибольших деформаций УЭ. В простейшей измерительной цепи компенсационные ТР не используются. В этом случае, выходное напряжение Uвых определяется известным выражением:

Здесь Uип - напряжение питания. Учитывая, что R = R/R = Sт l, где l = Dl/l, получим для каждого ТР:

Ri = R0 (1 + Ri/R0) = R0 (1 + Sт li), i = 1, 2, 3, 4.

Функция преобразования ТР измеритель­ной цепи с четы­рьмя рабочими плечами примет следующий вид:

Uвых = Sт Uип (l1 - l2 + l3 - l4)/4 = Sт Uип lср.

Максимальный сигнал Uвых получается при: l1 = l2 = l3 = l4.

Из этого выражения следует, что четырехплечная мостовая схема с одинаковыми ТР гарантирует сохранение симметрии при синфазном вли­я­ю­щем воздействии. Подобные схемы являются основой при построении измерительных цепей в термокомпенсированных ТР СМД, обладающих вы­сокой линейностью и чувствительностью. Недостатком ТР схем является низкий уровень выходного сигнала, требующий применения измерительных усилителей с высоким коэффициентом усиления Ku ос (обычно не менее 1000).

7.3.2. Датчик с упруго-чувствительными элементами

Наряду с ТР в СМД используются ЧЭ, принцип действия которых основан на пьезо- и магнитоупругом эффектах. Они называются совмещенными упругоувствительными элементами и входят в состав динамических или «ква­зистатиче­ских» силоизмерительных систем. Наиболее распростра­ненные схемы осно­ваны на применении дис­ковых пьезодатчиков и параметрических магнитоупругих преобразователей со скрещенными обмотками. Их важнейшей особенностью является обеспечение высокой жесткости конструкции, что особенно важно для измерителей больших нагрузок. Так, малогабари­тный однокомпонен­тный СМД фирмы He­w­­lett-Packard разме­­ром 228 мм при приложении номинальной силы дефор­мируется всего на 2 10-3 мкм. Вместо сплошных дисков в качестве ЧЭ часто используются пьезоэлектрические кольца того же диаметра. Кварцевые СМД фирмы He­wlett-Packard измеряют силы в пре­делах 10 Н ... 107 Н.

Серийно выпускаемые отечественные дисковые ЧЭ на базе пье­зокерамических таблеток ЦТС-19 поз­воля­ют конструировать СМД с диапазоном измерения 1,0 Н ... 120 КН. Для максимальных нагрузок диаметр колец превышает 100 мм.

Пример шестикомпонентного СМД высокой жесткости представлен на рис. 7.18а. Че­тыре упруго-чув­ствительных элеме­нта образуются на­бором из трех бло­ков, каждый из которых состоит из шести дисковых пьезодатчиков конкретной поляризации. На рис. 7.18б и в показаны блоки, измеряющий деформации в горизонтальной плоскости и вдоль вертикальной оси Z соответственно. Подобное расположение упруго-чу­в­ствительных элеме­нтов по­­зволя­ет вычислить все шесть компонент гла­вного вектора сил и моментов F:

Fx = Fx1 + Fx2 + Fx3 + Fx4;

Fy = Fy1 + Fy2 + Fy3 + Fy4;

Fz = Fz1 + Fz2 + Fz3 + Fz4;

Mx = (Fz1 + Fz2 - Fz3 - Fz4) a/2;

My = (Fz2 + Fz3 - Fz1 - Fz4) a/2;

Mz = (Fx3 + Fx4 - Fx1 - Fx2) a/2 + (Fy1 + Fy4 -Fy2 - Fy3) a/2.

Здесь а - характерный размер СМД (расстояние между блоками). При размере 565610 датчик обладает следующими характеристиками: диапазон измерения 0 … 5000 Н и 0 … 200 Нм, раз­­­решающая способность - 0,001%, механическая жесткость 109 Н/м. Коэффициент влияния ij составляет в среднем 3%. Использование пьезодатчиков в качестве ЧЭ СМД позволяет строить системы наивысшей жесткости.

СМД на базе магнитоупругих элементов обладают большим выходным сигналом при той же жесткости, но меньшей ли­ней­ностью. Диапазон измерения сил составляет 102 Н ... 106 Н.

В заключении приведем примеры некоторых выпускаемых промышленно СМД (табл. 7.5).

Таблица 7.5. Примеры промышленных СМД

Модель

Тип

Компоненты

Диапазон,

Н, Нм

C, Н/м, Нм/рад (f, кГц)

, Н

(Нм)

m,

кг

Размеры, мм

01190-А

01190-N

ТР

Mz

Mz

3

9500

(1)

0,1%*

0,1%**

0,01

0,02

1,28

416

70025

ТР

Fx, Fy, Fz

20 103

1 108

0,1%*

0,1%**

0,02

9,59,57

К-9251

Пьезо

Fx, Fy, Fz

2,5 103 - Fx, Fy

5 103 - Fz

(8)

1 10-2

0,04

242410

К-9065

Пьезо

Fz, Mx, My, Mz

20 103 - Fz

200 - Mx, My, Mz

9 109 -Fz,

5 105 -Mz (40)

2 10-2

2 10-4

0,2

5215

К-9293

Пьезо

Fx, Fy, Fz, Mz

20