Sisteme Senzoriale Utilizate In Robotica

Senzorii recepționează și furnizează informații sistemului de comandă despre „starea externă” a robotului: parametrii mediului (temperatură, viteze, accelerații), parametri funcționali [1].

Senzorii au capacitatea de a recepționa și furniza informația primară din mediul învestigat, într-o mărime electrică. Informația primară poate fi:

Forță

Deplasare

Viteză

Temperatură [1]

Mărimea electrică rezultată în urma transformării poate fi:

Tensiune

Curent

Sarcină electrică [1]

Traductoarele față de senzori se utilizează pentru măsurarea deplasărilor, pozițiilor,

vitezelor și accelerațiilor realizate cu ajutorul cuplelor cinematice conducătoare ale robotului.

Roboții industriali folosesc o gamă largă de senzori/traductoare în toate domeniile de activitate cum ar fi:

Tehnologia construcțiilor de mașini (presare-forjare, turnătorie, prelucrare prin

așchiere, sudură, vopsire, montaj)

Agricultură

Medicină

Folosirea roboților industriali dotați cu senzori/traductoare reduc mult cheltuielile

suplimentare de organizare specială a mediului de lucru.[1]

Tipuri de traductoare utilizate la roboți industriali sunt:

De deplasare/poziție

Viteză

Accelerație

Fortă/moment

Traductoarele de deplasare sunt de două tipuri :

Numerice

Analogice

În aplicația de manipulare pe care o voi realiza voi folosi traductoarele numerice și analogice.

Traductoarele numerice sunt cele mai utilizate în construcția roboților.

Traductoarele numerice sunt de doua tipuri:

Traductoare numerice incrementale (de deplasare)

Traductoare numerice absolute (de pozitie)

Traductoarele numerice incrementale pot fi:

Liniare (translație)

Rotative (de rotație)

Traductoarele numerice incrementale rotative sunt compuse dintr-un disc incremental și capul de citire sau testare.

Deplasarea relativă a celor două părți componente ale traductorului este transformată în semnale electrice.

Datorită fascicolului de lumină care străbate partea transparentă a discului, sau este reflectat de acesta, avem de-a face cu traductoare cu citire directă sau prin reflexie.

Modul de concepere al capului de citire, diferențiază în general diferite soluții constructive ale traductorului.

Sursele luminoase pot fi din categoria diodelor electroluminiscente (LED) sau a diodelor laser. Receptoarele fluxului luminos sunt fie fotodiode fie fototranzistoare.

Discul incremental este realizat fie din sticlă optică specială și are 1-3 piste cu diviziuni transparente și opace (fine si nevizibile cu ochiul liber), obținute prin procese de fotolitografiere. Discurile incrementale oferă o succesiune de impulsuri, în raport cu ultima poziție atinsă, fiecare impuls reprezentând un increment (cuantă) de deplasare. Fiecare cuantă de deplasare echivalează cu o valoare binară și reprezintă un bit de informație. Capul de citire cuprinde grila, sursa luminoasă si elementele fotoreceptoare.

Fig2.1 Schema constructivă a unui traductor numeric incremental fotoelectric

rotativ[2].

Grila realizată din același material ca și discul incremental are porțiunile transparente din aceeași lățime L/2 dar decalate cu L+L/4 între ele. În dreptul fiecărei porțiuni transparente ale grilei se gasește câte un element fotoreceptor.

Sursa luminoasă, aflată de partea opusă grilei, generează fluxul luminos care este concentrat de lentila colimatoare (sistem de focalizare).

Aceste traductoare se utilizează frecvent ca și traductoare de viteză liniară și respectiv traductoare de viteză unghiulară [3].

Fig. 2.2. Reprezentarea semnalelor de mișcare la traductoarele numerice incremental

rotative[1]

Reprezentarea semnalelor defazate este dată de eroarea de histerezis (δ) și este considerată un avantaj, fiind utilizată pentru corecția erorilor ce apar datorită vibrațiilor.

Fig.2.3. Fracțiune dintr-un disc incremental :1-zona diviziunilor

Incrementale; 2-zona impulsului nul[1].

Rolul semnalului nul este de a fixa originea traductorului și de a introduce eventuale corecții în numărătorul impulsurilor furnizate de traductor.

Impulsul de nul este oferit de capetele riglei și emiterea unor impulsuri la distanțe egale la 10 mm oferind o elasticitate în plus sistemului de măsurare cu privire la restabilirea originii de măsurare. Există și posibilitatea corectării numărului de impulsuri rezultate din contorizarea impulsurilor emise de traductor.[1]

Traductor numeric absolut (de poziție) rotativ (disc codat absolut)

Traductorul numeric absolut oferă informația despre poziția unui element mobil la care este conectat.

In figura 2.4. este prezentată schema de principiu a unui disc codat care acoperă 3600 prin 32 de combinații.

Suprafețele conductoare sunt legate electric printr-o perie fixă la un inel colector care formează pista de energizare. Pistele sunt testate de o serie de perii colectoare localizate la diferite distanțe radiale, fiecare perie fiind conectată prin conductor separat.

Fig.2.4.Disc codat absolut

La rotirea discului periile se conectează la tensiunea comună de alimentare, acolo unde au contact cu o zonă metalică conductoare, ceea ce reprezintă "1" logic. Tranziția de la porțiunea conductoare la cea izolantă trebuie să se facă lin, iar uzura pe suprafața discului să fie aceeași în orice poziție. De obicei atât pistele cât și periile sunt aurite.

Rezoluția discului este determinată de numărul pistelor, deci precizia traductoarelor se poate mări, dacă numărul de piste crește. Un disc cu 10 piste are o rezoluție de 1:1024, iar pentru 5 piste rezoluția este 1: 512 (scade la jumătate).

Pentru creșterea rezoluției se pot utiliza sisteme cu mai multe discuri, cuplate prin reductoare adecvate care pot (de exemplu) acoperi o rotație completă cu peste 8000 combinații.

Codurile cele mai utilizate la realizarea discurilor (absolute) sunt :

1 – Codul binar – natural (specific circuitelor digitale)- prezintă dezavantajul că la trecerea de la un număr la altul se pot modifica simultan mai multe ordine binare, ceea ce determină generarea de erori.

2 – Codul BCZ (binar codificat zecimal) – utilizat în cazul când traductorul este cuplat într-un SRA discret ce lucrează în cod BCZ și nu sunt necesare blocuri de conversie suplimentară.

3 – Codul GRAY reprezintă trecerea de la un număr zecimal la următorul putând să se facă prin modificarea unui singur ordin binar. Această proprietate simplifică sistemul de testare și decodificare, reducând costul.Dezavantajul metodei constă în faptul că sistemul necesită convertoare Gray-Binar, respectiv binar-Gray.[3]

Utilizarea codului Gray se folosește atunci când trecerea de la o valoare numerică la alta se face de asa manieră încât se schimbă logica a unui singur ordin.

În figura 2.5 vă prezint schema logică la utilizarea codului Gray

Fig 2.5. Schema logică la utilizarea codului Gray[1]

În acest caz este necesară conversia codului semnalelor din codul Gray în cod binar

(fig.2.6).

Fig. 2.6. Conversia informației din cod Gray

în cod binar [1].

Citirea în „V” permite utilizarea codului binar pentru codificarea riglei dar necesită modificarea modului de amplasare ale fotoelementelor și dublarea numărului punctelor de testare. Toate pistele, cu excepția celei de ordin „0”, sunt prevăzute cu 2 puncte de testare așezate simetric față de dreapta Y’Y’’ care trece prin punctul de testare de ordin „0”. Această citire folosește pentru fiecare pistă câte două perii colectoare și anume stânga și dreapta care sunt dispuse în formă de „V” cu excepția periei de pe pista 20. Fiecare pereche de perii are o distanță egală cu lungimea de pistă corespunzătoare unui bit informațional.[1]

Traductorul optoelectronic de situare rotativ absolut (fig. 2.7) este asemănător traductorului numeric absolut, deosebirea constând în faptul că pistele sunt materializate pe un disc și pe un vernier în formă de sector circular. Măsurarea orientării absolute a discului se face în raport cu linia de origine după care se aliniază fantele pe toate pistele.[3]

Fig.2.7: Structura unui traductor optoelectronic de situare rotativ

La traductorul potențiometric rotativ absolut rezistența electrică variabilă este dispusă circular iar cursorul are o mișcare de rotație.[3]

Bibliografie

[1].Dolga Valer- Traductoare și senzori – curs, Universitatea „Politehnica” din Timisoara, 1996

[2].http://web.ulbsibiu.ro/laurean.bogdan/html/Traductoare%20de%20pozitie%20si%20deplasare.pdf

[3].Țarcă Radu-Introducere în robotică, Editura Universitatea din Oradea, 2003