taktiolní 1 - T-MaR - cvičení. č. 8 - fce.vutbr.cz · –s elastomery –s tenzometry –s...
Transcript of taktiolní 1 - T-MaR - cvičení. č. 8 - fce.vutbr.cz · –s elastomery –s tenzometry –s...
CW01 - Teorie
měření a
regulace
© 2013 - Ing. Václav Rada, CSc.
ZS – 2013/2014
Cv.8-Ta.0
Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb
Ústav technologie, mechanizace
a řízení staveb
Teorie měření
a regulace
© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.
cv.2.z-4.mtZS – 2014/2015
taktilní – přehl.
VYBRANÝ VÝBĚR INFORMACÍ
k
dalšímu z principů snímačů
taktilní snímače
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
© VR - ZS 2014/2015
Taktilní snímače -VÝBĚR
- představují samostatnou specializovanou skupinu
- patří do třetí generace snímačů
- v některých úlohách jsou nezastupitelné (z celé řady
důvodů a pohledů)
- umožní získat dosud nedostupné informace z
nejrůz-nějších oblastí, vědy, techniky i „obyčejného“
života
- …..
T- MaRMĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY
© VR - ZS 2011/2012
Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní čidla a snímače - je to velmi široký pojem
………...
velké množství různých prvků od mikrospínačů in-
dikujících dotyk, přes senzory měřící úchopnou sílu
nebo prokluzování uchopeného předmětu až po slo-
žité snímače nahrazující lidský hmat – ty jsou z apli-
kačního hlediska asi nejvýznačnější.
© VR - ZS 2011/2012
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní čidlo nebo snímač je prvek schopný snímat
informaci o dotyku s prvkem vnějšího prostředí a
převádět ji na elektrický signál.
© VR - ZS 2011/2012
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
– ……. základní (vybraná) uplatnění:
– robotika – hmatové a úchopové senzory
– biomedicína a stomatologie – náhrady částí těla –
snímání chodidla – rozložení váhy na ploše chodidla –
vady tvaru chodidla či prstu – atp.
– zjišťování přítomnosti nebo nepřítomnosti dotyku –
zda je či není hmatový (dotykový) kontakt
– informace o velikosti působící síly či tlaku
– 1D a 2D (plošné) snímače dotyku
© VR - ZS 2013/2014
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
K nevýhodám taktilních systémů v porovnání s
standardním systémům patří:
– omezená rozlišovací schopnost v důsledku
mechanických nedokonalostí konstrukce,
– nutná minimální úchopná síla,
– nutnost sledovat opotřebení.
© VR - ZS 2011/2012
Taktilní snímače -VÝBĚR
Taktilní snímače a senzory se podle použitého
fyzikálního principu dělí na systémy
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
© VR - ZS 2013/2014
– s elastomery
– s tenzometry
– s odporovým principem
– s kapacitním principem
– s infračerveným principem
– s ultrazvukovým principem
– s piezoelektrickými materiály
– s optickými vlákny
Taktilní snímače -VÝBĚR
Taktilní snímače a senzory se podle použitého
fyzikálního principu dělí na systémy
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
© VR - ZS 2013/2014
– s tlustou odporovou vrstvou
– s tenkou odporovou vrstvou
– s vakuovou diodovou strukturou
– s využitím prvků CMOS
MATICOVÉ ..........
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
Snímač s vodivým elastomerem informuje nejen
o prostém kontaktu, ale může poskytnout i
kvantitativní a kvalitativní informaci o před-
mětu, s jehož povrchem přicházejí čidla do
kontaktu.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
© VR - ZS 2011/2012
… … elastomery – z čeho to je?
Elastomer ... hmota na bázi kaučuku …
jde o silikonovou pryž sycenou grafitem
nebo železným prachem.
Elastická vlákna jsou definována jako
vlákna, která se dají natáhnout na nejméně.
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Převodník síly na elektrický signál = čidlem je
vodivý elastomer měnící svůj elektrický odpor v
závislosti na působící síle.
Se stlačováním a relaxací poddajného materiálu se
mění výsledný odpor čidla.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Typická závislostodporu R taktilního
snímače s vodivým
polymerem na působící
síle F – a je nelineární v
celém rozsahu.
© VR - ZS 2013/2014
…
snímače s
elastomery
6
4
2
0
14 16 18 20 22 24 26 28
F [N]
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Základem je odporová vrstva vyrobená technikou
tlustých vodivých polymerových vrstev (Polymer
Thick Film – PTF) a tvořená elektricky vodivými a
nevodivými částicemi o velmi malých rozměrech
Při působení síly na tuto vrstvu se částice vzá-
jemně dotýkají, a vytvářejí tak vodivé dráhy, čímž
se odpor vrstvy zmenšuje.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Senzory s citlivým polymerním materiálem (Force
Sensitive Resistor – FSR) = odporové čidlo využí-
vající závislost elektrického odporu polymerové
vrstvy (Resistive Film, FSR Polymer Ink) na pů-
sobící síle.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Čidlo FSR lze typicky zatížit silou do 10 N, do
max. 100 N. Při typické změně odporu v roz-
mezí od 2 MΩ do 2 kΩ.
Maximální tlak, při němž čidlo ještě funguje,
se pohybuje v rozmezí 100 až 200 Pa.
Rozlišovací schopnost čidla je lepší než 0,5 %.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Čidla FSR se nehodí pro přesná (laboratorní)
měření.
Důvodem je tolerance (rozdílnost) převodní
charakteristiky mezi jednotlivými čidly, která
činí 15 až 25 %.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Pro měření rozložení statických a dynamických
tlaků byl vyvinut snímač Plantograf V05.
Je určen k analýze chůze člověka, rozložení
tlaků na plosce chodidla, sedu a k indikaci
stavu velkých kloubů.
Snímač existuje v podobě pevné desky i elas-
tické plenky, obě varianty jsou chráněny mezi-
národními patenty).
© VR - ZS 2013/2014
… snímače s elastomery ……
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Obsahuje 7 500 senzorů o rozměrech 2 × 2 mm,
rozmístěných rovnoměrně na ploše 300 × 400 mm.
Použitý vodivý elastomer CZ 57-7 RSC má
tloušťku 0,5 mm a je stabilní při teplotě od –40 do
+100 °C.
Snímková frekv. je 300 Hz, vzorkovací frekv. 2,5
MHz a rozlišení na výstupu osm bitů ( to znamená
rozlišení pomocí 256 úrovní).
© VR - ZS 2013/2014
… snímače s elastomery ……
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
© VR - ZS 2013/2014
… snímače s elastomery ……
Snímač
Plantograf V05
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu FSR
pružný substrát
s tištěnou odporovou vrstvou
mezera
vlepená vrstva
pružný substrát s
tištěnými elektrodami rub
aktivní oblast
Uspořádání
snímače FSR
od firmy
Interlink
Electronics.
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
© VR - ZS 2011/2012
…… snímače
s elastomery
Uspořádání čidla
od firmy Tekscan –
FlexiForce.
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Princip čidla –
působení
normálové a
smykové
složky síly
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery typu odporová vrstva
t
t
t
t
normálová složka síly
dynamický
statický
tečná složka síly
dynamický
statický
a)
b)
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Konstrukce
prstu umělé
ruky DLR
se senzorem
FSR
© VR - ZS 2013/2014
… snímače s elastomery typu FSR
vnitřní podpěra
krycí
pryžová
vrstva
vrchní
podpěra
připojovací
konektor
Materiál FSR
A
B
pružná vrstva
Materiál FSR
pružná vrstva
Materiál FSR
A B
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Taktilní senzory pro automatizaci
Detekční fólie Pressurex® od firmy Sensor Product
Inc. je velmi tenká (tloušťka 0,01 až 0,05 mm), vněj-
ším vlivům odolávající pružná fólie umožňující sta-
novit rozložení tlaku mezi dvěma dotýkajícími se
povrchy objektů - i zakřivených.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery - detekční fólie
Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Obsahuje tenkou vrstvu mikrokapsulí, umístěnou
vespod přenosové polyesterové fólie, které se půso-
bením síly protrhnou a jejich obsah zapůsobí na ba-
revnou vývojovou vrstvu, na vyvíjecí fólii.
© VR - ZS 2011/2012
… snímače s elastomery - detekční fólie
Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Fólie Pressurex se poté vyjme z místa měření a
z výsledného zabarvení se určí působící síla,
popř. tlak.
U některých typů fólie se velikost tlaku nemusí
projevit jen intenzitou zabarvení, ale též změ-
nou barvy.
© VR - ZS 2011/2012
- obr. následuje
… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR
T- MaR
Princip čidla –
použití fólie
Pressurex
a) fólie po zatížení,
b) převod intenzity
zabarvení na
působící tlak
© VR - ZS 2011/2012
100 %a)
b)
87 %
75 %
62 %
50 %
37 %
25 %
0 %
… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR
Čidla se změnou přechodu a odrazu světla
U těchto čidel se využívá změna energie odrážené od reflexní vrstvy do snímacího vlákna s detektorem. Síla působí na část s reflexní vrstvou a mechanické vlastnosti senzoru jsou dány mechanickými vlastnost-mi deformovaného materiálu, např. pružinové oceli.
Obdobně lze uspořádat reflexní čidlo - zdrojová i sní-mací vlákna jsou umístěna paralelně pod průsvitným elastomerem, který umí měnit své optické vlastnost.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Čidla s optickými vlákny se vzájemnou optickou vazbou
Na obou jeho vláknech v místě dotyku je odstraněn plášť - tím jsou odhalena jádra, která přicházejí do vzájemného kontaktu.
Při vhodně navržených parametrech (délka styčné plo-chy vláken, úhel jejich křížení) ovlivňovaných působící silou, ovlivňuje se těsnosti vzájemné vazby, pak přechá-zí úměrná část energie z prvního vlákna do druhého.
Ke zdroji světla je připojeno první optické vlákno a k detektoru druhé.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Uspořádání optického taktilního čidla se změnou vazby (čidlos deformačním členem)
2011/2012
TMaR
síla, teplota, …. deformační
člen
od zdroje
světlak detektoru
světla
Taktilní snímače -VÝBĚR
Čidla se změnou útlumu
Obsahují průsvitný člen vřazený do optického vlákna, který vlivem vnějšího prostředí mění své optické vlastnosti.
Optické vlákno zde samo ovlivňováno není a je určeno jen k vedení světelné energie.
Nejčastěji se používají k měření teploty, kdy optické vlastnosti průsvitného členu jsou závislé na teplotě.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Uspořádání optického taktilního čidla se změnou útlumu (čidlo s deformačním členem)
2011/2012
TMaR
od zdroje
světla
síla
síla
deformační
člen
k detektoru
světla
Taktilní snímače -VÝBĚR
U zdravotně postižených lidí lze taktilní údaje využívat jako dodatečný zdroj informace.
Například existuje vibrační opasek pro zrakově pos-tižené nebo při pohybu v těžkém a nepřehledném terénu (prales, poušť,….) - je popsaný na webu
http://www.mobiquitous.com/active-belt-e.html.
Opasek je spojen s modulem GPS, na němž si uživatel nastaví polohu místa, kam směřuje.
Směr, kterým se má ubírat, je určen vibracemi příslušné-ho motoru z vibračních motorů umístěných na opasku.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Podobně představují příležitost pro aplikování taktil-
ních čidel a snímačů jsou v kombinaci se speciálními
konstrukcemi využívajícími, tzv. inteligentní (smart)
textilie.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
V průmyslu se s taktilní informací pracuje nejdéle a nejčastěji v robotice. Proto se další informace o aplikacích dotýkají oblasti robotiky - tímto směrem se v současnosti upírá největší zájem.
Úchopové prvky manipulátorů a robotů jsou jejich základní a nejdůležitějších částí.
Zpočátku byly taktilní snímače používány jen k indi-kaci uchopení předmětu úchopnou hlavicí, později k řízení úchopu, měření prokluzu a popř. k přesnému nastavování polohy objektů.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Zdaleka však není uspokojivě vyřešen problém při na-sazení v oblasti smykových senzorů, a to jak pro robo-ty, tak především pro náhradu hmatu.
Smyslová náhrada (při praktických aplikacích – např. u robotických prstů či umělé lidské ruky) jen tlakem na taktilní snímač totiž k plnohodnotné funkci nestačí.
U aplikací použitelných přímo pro člověka, je zde navíc ještě problém s připojením k jeho nervovému systému.
2012/2013
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
V mnoha případech je nezbytná univerzální antropo-morfní úchopná hlavice. Hlavice mohou být tříprsté až pětiprsté, vybavené různými typy senzorů.
Tříprstá antropomorfní úchopná hlavice (ruka) se senzory typu DLR vhodná k použití v průmyslu je popsána
2011/2012
TMaR
http://www.dactyl.com/scratchpad/pps/tactileArraySensor.html
Taktilní snímače -VÝBĚR
2011/2012
TMaR
Antropomorfní
čtyřprstá hlavice
se senzory DLR
v akci s míčkem
Taktilní snímače -VÝBĚR
Vrchol využití umělé inteligence v robotice představuje měkký interaktivní lidský robot RI-MAN, vyvinutý v Rikenu, Bio-Mime-tic Control Research Centru v Japonsku
http://www.technovelgy.com
Robot má schopnost uvědomit si lidskou péči a plnit sociální úkoly a může se stát neocenitelným partnerským robotem. Komunikuje lidským hlasem, je opatřen čichovým orgánem a dvěma kamerami snímá okolní scénu, v níž se dokáže orientovat v reálném čase, reaguje na povely, jejichž význam si uvědomuje a analyzuje a podle nichž přizpůsobuje svou činnost. Povrch robota je měkký, příjemný na dotyk.
Robot je vybaven taktilními senzory pro biologickou zpětnou vazbu. Je určen pro práci v nemocnicích, sociálních zařízeních, při manipulaci s pacienty a při ošetřování a obsluze.
2011/2012
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
K naplnění tohoto cíle musí být v první řadě vybaven schopností
oboustranné komunikace lidským hlasem – se schopností
reagovat na povely, jejichž význam si uvědomuje a obsahově
analyzuje a podle nichž přizpůsobuje svou činnost – navíc má
určité reakce a určitá konání „natvrdo a neovlivnitelně“
předprogramovány (chování ve vybraných a krizových situacích a
v chování vůči člověku … aplikace tzv. robotických zákonů).
2012/2013
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
K prostorové polohové i funkční orientaci musí být (a prototyp skutečně je takto vybaven) dále opatřen čichovým orgánem a dvěma kamerami ke snímání okolní scény pro prostorovou a směrovou orientaci pohybu.
Další významnou schopností je veškerá orientace včetně následných reakcí v reálném čase.
Povrch robota je měkký, příjemný na dotyk.
Robot je vybaven taktilními senzory pro biologickou zpětnou vazbu. Je určen pro práci v nemocnicích, sociálních zařízeních, při manipulaci s pacienty a při ošetřování a obsluze.
2012/2013
TMaRTaktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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.
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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 mani-
pulované součásti i řízení bezpečného uchopení bez prokluzu a
přitom bez poškození součásti nadměrnou silou stisku chapadla.
v lékařství při testech např. tlaku chodidla
apod. …….
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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 – jedno-
tlivé citlivé prvky jsou při kalibraci i při použití v praxi vystaveny
množství vzájemných ovlivnění - problémem je zejména nejed-
notná, či dokonce vůbec neexistující metodika kalibrace
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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.
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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.
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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.
Taktilní snímače -VÝBĚR
Maticové taktilní snímače
T- MaR
© VR - ZS 2013/2014
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.
Taktilní snímače -VÝBĚR
2012/2013
TMaR
Informace o taktilních snímačích vznikly na základě údajů:
z článku v časopise AUTOMA č. 8, rok 2008 - autor doc.
Ing. Jaromír Volf, DrSc., FS ČVUT v Praze
z článku v časopise AUTOMA č. 11, rok 2002 - autoři Ing.
Martin Halaj, Ph.D. a doc. Ing. Rudolf Palenčár, CSc., SjF
STU, Bratislava, Ing. František Vdoleček, CSc., FSI VUT,
Brno
z webu Wikipedie
z webů o robotech a robotických senzorech
Taktilní snímače -VÝBĚR