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


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


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


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


T- MaR


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 a senzory se podle použitého

fyzikálního principu dělí na systémy

T- MaR


© 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 a senzory se podle použitého

fyzikálního principu dělí na systémy

T- MaR


© VR - ZS 2013/2014

– s tlustou odporovou vrstvou

– s tenkou odporovou vrstvou

– s vakuovou diodovou strukturou

– s využitím prvků CMOS

MATICOVÉ ..........


T- MaR


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


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.


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


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]


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


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



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



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



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 ……


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



T- MaR


© VR - ZS 2013/2014


Snímač

Plantograf V05


T- MaR


© VR - ZS 2011/2012


pružný substrát

s tištěnou odporovou vrstvou

mezera

vlepená vrstva

pružný substrát s

tištěnými elektrodami rub

aktivní oblast

Uspořádání

snímače FSR

od firmy

Interlink

Electronics.


T- MaR


© VR - ZS 2011/2012

…… snímače

s elastomery

Uspořádání čidla

od firmy Tekscan –

FlexiForce.


http://www.tekscan.com/news-zif-and-lif-compatible-flexiforce-sensors

http://www.tekscan.com/news-zif-and-lif-compatible-flexiforce-sensors

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)


T- MaR

Konstrukce

prstu umělé

ruky DLR

se senzorem

FSR

© VR - ZS 2013/2014


vnitřní podpěra

krycí

pryžová

vrstva

vrchní

podpěra

připojovací

konektor

Materiál FSR

A

B

pružná vrstva

Materiál FSR

pružná vrstva

Materiál FSR

A B


T- MaR


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


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


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


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


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


Uspořádání optického taktilního čidla se změnou vazby (čidlos deformačním členem)

2011/2012

TMaR

síla, teplota, …. deformační

člen

od zdroje

světlak detektoru

světla


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


Uspořádání optického taktilního čidla se změnou útlumu (čidlo s deformačním členem)

2011/2012

TMaR

od zdroje

světla

síla

síla

deformační

člen

k detektoru

světla


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


Podobně představují příležitost pro aplikování taktil-

ních čidel a snímačů jsou v kombinaci se speciálními

konstrukcemi využívajícími, tzv. inteligentní (smart)

textilie.

2011/2012


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


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


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


2011/2012

TMaR

Antropomorfní

čtyřprstá hlavice

se senzory DLR

v akci s míčkem


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


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


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


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.



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. …….



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



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.



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.



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.



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.



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014

Funkce MTS



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014

Funkce MTS



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014

Funkce MTS



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014



T- MaR

© VR - ZS 2013/2014


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


TMaR

………

Taktilní snímače 1

Ta.0

© VR - ZS 2013/2014

Date post:	28-Feb-2019
Category:	Documents
Upload:	lephuc
View:	221 times
Download:	0 times

taktiolní 1 - T-MaR - cvičení. č. 8 - fce.vutbr.cz · –s elastomery –s tenzometry –s...

Documents