Senzori de efort

1. Senzori de efort • Practica roboţilor industriali, impune în mod frecvent operaţii ce presupun evaluarea contactului între acesta si obiectul vizat. • Cuantificarea interacţiunii între robot şi piesa de manipulat, se realizează cu senzori specifici, cunoscuţi sub denumirea de senzori de efort şi care caracterizează punctul de contact dintre acestea. Din punct de vedere fizic, contactul dintre două obiecte nu este niciodată punctual. Pentru simplificarea raţionamentului în dezvoltarea acestor senzori, uzual se consideră acest contact ca fiind o zonă cvasipunctuală. • Interesul nostru este prin urmare, determinarea rezultantei forţelor de reacţiune dintre obiecte, în această zonă, ceia ce presupune precizarea punctului lor de aplicaţie şi determinarea amplitudinii direcţiei şi sensului acestora.

2. 1. Determinarea poziţiei punctului de contact • Vom considera cunoscută forţa de interacţiune F prin componentele sale Fxo, Fyo, Fzo şi momentele lor corespunzătoare în raport cu cele trei axe ale unui triedru de referinţă Ro legat de robot. • Legăturile dintre elementele ce caracterizează contactul sunt descrise de ecuaţiile:

3. Respectiv ecuatia de legatura: Aceasta înseamnă că nu se pot determina decât două coordonate ale punctului de contact:

4. 2. Determinarea efortului între robot şi mediu • Interacţiunea robot-mediu se traduce practic prin legătura forţă-poziţie, deoarece orice modificare cu dx a poziţiei punctului P solidar cu obiectul de detectat, conduce la variaţia cu dF a forţei de reacţiune a acestuia. • Modul de determinare a diverselor componente ale sistemului presupune urmărirea uneia dintre următoarele posibilităţi: • atingerea unei poziţii prestabilite (asamblarea a două piese, de exemplu), prin evidenţierea deplasărilor în funcţie de eforturile cunoscute, în scopul diminuării forţei de reacţiune sau a componentelor sale normale la deplasare; • atingerea unei forţe prestabilite (polizare, uzinare, etc.), prin deducerea deplasărilor în funcţie de diferenţa dintre forţa căutată şi cea reală. • Oricare ar fi modalitatea de abordare, punctul de plecare îl constitue necesitatea cunoaşterii forţei de interacţiune dintre robot (mâna acestuia echipată cu scula corespunzătoare procesului tehnologic) şi mediu (planul de lucru sau un alt obiect vizat). În această direcţie, se poate proceda astfel: • se dotează mediul cu senzori adecvaţi (obiectul va fi dispus pe o platformă echipată cu senzori ); • se echipează mâna robotului cu un sistem senzorial specific; • se utilizează drept informaţie de efort variaţia semnalului de excitaţie a diverselor sisteme de acţionare a articulaţiilor.

5. Senzorul de efort tip platformă senzorială WATSON-DRAKE • Platforma tip WATSON-DRAKE se compune din trei secţiuni plan paralele. Între secţiunea centrală şi cea superioară sunt dispuşi senzorii ce permit determinarea componentelor verticale ale forţei iar între secţiunea centrală şi cea inferioară cei ce permit determinarea componentelor orizontale ale acesteia.

6. Dacă vom presupune senzorii repartizaţi pe o platformă pătrată de latură 2l şi vom nota cu i şi i forţele orizontale şi verticale măsurate, componentele efortului dintre robot şi obiect vor fi date de relaţiile:

7. y Corp robot x P G z • Coordonatele punctului P de contact între robot şi obiect vor rezulta imediat: Vom considera ca exemplu utilizarea platformei WATSON pentru o operaţie de introducere a unui cilindru într-un alezaj de toleranţă mică. Pe platformă se dispune un receptor de geometrie şi orientare cunoscută dar a cărui poziţie necesită a fi determinată.

8. Senzorii specifici vor furniza informaţiile relative la cele 6 componente ale efortului Fx, Fy, Fz, Mx, My, Mz, cu ajutorul cărora se vor deduce poziţiile proiecţiilor centrului de greutate:

9. Din aceste relatii vor rezulta coordonatele centrului de grutate: Printr-un asemenea procedeu , robotul va sesiza obiectul, îl va aduce la o altitudine convenabilă în vecinătatea alezajului, apoi prin mişcări de translaţie şi de rotaţie repetate (în sensul conservării anulării forţelor Fx, Fy, sesizate de platformă), va determina introducerea acestuia.

10. Utilizarea senzorului montat pe mâna robotului • Dotarea obiectelor de detectat cu senzori este de cele mai multe ori o soluţie impracticabilă. De aceia în mod frecvent se echipează mâna robotului cu senzori care să poată înlocui platforma senzorială. Aceste dispozitive se amplasează cât mai aproape de zona în care se exercită eforturile, adică la nivelul articulaţiei mâinii Scopul urmărit este măsurarea forţelor şi cuplurilor după trei axe trirectangulare legate de mâna robotului. • Articulaţia senzorială este deci o structură ce comportă mai multe părţi deformabile, compliante după cele trei axe la aplicarea efortului. Traductoarele efective de efort pot fi: mărci tensometrice, traductoare piezoelectrice, magnetostrictive, inductive, etc. Senzorii de efort utilizaţi mai frecvent, sunt realizaţi pe baza mărcilor tensometrice (GROME, GOTO, ROSEN, WATSON, BEJCZY, etc.). y Articulaţie senzorială Corp robot x P z

11. Senzorul GOTO • Este destinat operaţiilor de asamblare de precizie a obiectelor cilindrice, utilizând fie complianţa activă, fie complianţa pasivă. • Aşa cum se poate vedea în figura, în complianţa activă robotul se deplasează în direcţia anulării eforturilor legate de deformaţiile senzorului, ceia ce-i permite o orientare convenabilă operaţiei de asamblare. • Utilizarea complianţei pasive, constă în a profita de deformaţiile elastice ale senzorului pentru a reuşi asamblarea chiar şi atunci când direcţiile celor două componente ale procesului nu coincid.

12. Senzorul JET PROPULSION LABORATORY • Are o structură în cruce, pe ale cărei braţe sunt dispuse traductoarele tensometrice de efort. Întregul ansamblu este apoi solidarizat cu un cilindru rigid.

13. Dacă W1, W2,…, W8, sunt semnalele măsurate de către aceste traductoare, într-un triedru legat de senzor, vom avea următoarele legături: unde aij sunt amplificările diferitelor punţi tensometrice de pe braţele senzorului.

14. Senzorul STANFORD RESEARCH Este în fapt un cilindru gol şi decupat în aşa fel încât să se poată monta pe el diferite punţi tensometrice, care să furnizeze informaţiile relative la forţe şi momente, după cele trei axe ale unui sistem tridimensional. Întregul ansamblu este plasat de obicei cu degetul robotului.

15. Utilizarea informaţiilor oferite de sistemele de acţionare • Dacă robotul este reversibil, orice forţă exercitată în aval asupra unei articulaţii, va avea repercusiuni asupra cuplurilor motoare ale tuturor articulaţiilor din amonte. Ca urmare, acestea vor crea cupluri oponente ce vor tinde să le echilibreze efectul. • Măsurarea variaţiilor acestor cupluri, reprezintă o posibilitate de estimare a efortului. Metoda a fost introdusă în diverse aplicaţii ce presupuneau asamblări de precizie. Ea prezintă avantajul ca nu necesită senzori specializaţi. • Determinarea efortului este însă afectată de neomogenităţile inertiale ale robotului, de sarcina sa, de repartiţia zonelor elastice sau a frecărilor în articulaţii. • Pentru aceasta, în proiectarea şi utilizarea robotului se va avea în vedere fie o modelare fină a lui în condiţiile reale, fie o compensare a erorilor de măsurare printr-o strategie adecvată de utilizare.

16. SENZORI FARA CONTACT CU OBIECTUL VIZAT • În practica comenzii robotilor industriali se are în vedere în vedere în primul rînd rapiditatea de executie a diverselor operatii, ceea ce are ca rezultat deplasarea structurilor mecanice ale robotului cu viteze din ce în ce mai mari. În aceste conditii efectul dinamic al unui contact fizic între robot si obstacole sau obiecte de interes, risca sa deterioreze sistemul, ceea ce face ca detectia tactila sa fie ineficienta si cunoasterea “a priori” a pozitiei elementelor din arealul robotului sa fie absolut necesara. • Pentru îndeplinirea acestui deziderat se utilizeaza elemente sensibile fara contact cu piesa de detectat sau senzori proximetrici. În acest fel se poate cunoaste din timp pericolul, în vederea luarii deciziei de frînare a robotului sau de schimbare a directiei acestuia. • Senzorii fără contact cu obiectul vizat utilizaţi în construcţia roboţilor au la bază principii constructive si de functionare de o larga diversitate, precum: • magnetice; • capacitive; • fotoelectrice; • cu efect Hall; • cu ultrasunete; • magnetorezistive; • fluidice; • etc.

17. SENZORI INDUCTIVI • Se cunosc doua tipuri de astfel de senzori, unul bazat pe utilizarea circuitelor magnetice si celalalt pe masurarea curentilor Foucault. Fiecare dintre ele însă pot fi realizate cu circuite unice, duble sau multiple. • Senzorul magnetic • Principiul care sta la baza acestor senzori de este masurarea inductantei unei bobine cu miez magnetic. Inductanta bobinei este sensibila la toate modificarile circitului magnetic. • Aceste variatii de întrefier pot fi date fie de variatia distantei între miez si suprafata metalica de detectat, fie chiar de o modificare (un defect) al acestei suprafete. Ca urmare acest element sensibil este utilizat în constructia robotilor ca indicator de capat de cursa sau de defect de suprafata (în cazul roboţilor de sudură). • În acest din urmă caz, elementele sensibile bazate pe acest principiu, utilizează unul sau două circuite magnetice.

18. Senzor magnetic cu circuit unic • Exemplul cel mai întîlnit în componenta robotilor industriali este senzorul ZENTAL în care sistemul este antrenat într-o miscare de baleiaj în plan transversal fata de suprafata de cercetat. • Prin interpretarea variatiei de tensiune diferentiala masurata într-o înfasurare realizata pe cele doua brate ale circuitului magnetic, se poate localiza orice denivelare a suprafetei de cercetat, precum si largimea acesteia.

19. Senzorul magnetic cu doua circuite • a). Senzorul MESSER GRIESHEIM Cuprinde un generator de cîmp magnetic alimentat prin intermediul a doua bobine B1 si B2. Cele doua capete de citire T1 si T2, situate de o parte si de alta a denivelarii suprafetei de explorat, permit localizarea acesteia printr-o masurare diferentiala. Acest tip de senzor este mai ales apt de a detecta denivelari înguste de ordinul 0.05 mm si este aplicabil şi metalelor neferomagnetice (Cu, Al).

20. b). Senzorul VALLOUREC • Senzorul Vallourec reprezentat în figura de mai jos cuprinde doua sonde identice avînd fiecare un cap de detectie de mica dimensiune. • El cuprinde între altele si posibilitatea de a masura reluctanta, ceea ce face ca semnalul de iesire sa varieze în functie de permeabilitatea magnetica a mediului din imediata vecinatate a capetelor de detectie. O masurare diferentiala permite localizarea denivelarii sau fantei situate între cele doua sonde cu o precizie de centrare de ordinul 0.5 mm.

21. c). Senzorul MITSHUBISHI ELECTRIC • Este specific robotilor de sudura si în acest caz detectoarele diferentiale sesizeaza disributia magnetismului cauzat de curentul de sudura. • Senzorul magnetic cu circuite mutiple • Sunt asociatii de elemente sensibile cu circuit unic ce permit detectarea simultana atît a pozitiei si dimensiunilor unor denivelari sau fante, cît si a bratului robotului (dispozitivului de prehensiune) în raport cu obiectul de manipulat. Pentru aceasta o pereche de senzori sînt utilizati pentru detectarea fantei, iar o alta pereche, situata la exteriorul celei dintîi, permite determinarea distantei între “mâna” robotului si obiect, cît si orientarea sa în planul transversal al fantei.

22. Sezorul cu curenti FOUCAULT • Este unul din cei mai utilizati senzori de proximitate.Elementul esential al acestui senzor este o bobina de inductie în general realizata pe un miez magnetic din ferita, pentru a lucra în înalta frecventa (cîtiva kHz la cîteva sute de kHz ). Ca urmare, bobina este excitata de un curent sinusoidal de înalta frecventa ce produce un flux magnetic de înalta frecventa înjurul acesteia. Daca un material conductor se apropie de una din extremitatile bobinei, în aceasta iau nastere curenti Foucault ce creaza o inductie de sens contrar inductiei bobinei. Ca urmare senzorul este sensibil la toate obiectele metalice sau metalizate, dar raspunsul sau depinde nu numai de distanta de masurat ci si de proprietatile fizice (rezistivitate, permeabilitate) si caracteristicile sale geometrice.

23. Curentii indusi creati de fluxul magnetic oponent, tind sa reduca inductanta bobinei. Un circuit de masura a acestei inductante va produce o iesire proportionala cu curentiii Foucault indusi. • Acesti senzori pot fi utilizati pentru masurarea distantei până la o suprafată metalizata, sau pentru localizarea unei fante. O teorie simplificata de functionare a acestui tip de senzor poate fi stabilita reducînd obiectul metalic la un circuit cu constante localizate cuplat mutual cu bobina de excitatie. • Daca se noteaza : Z1=R1+jL1, Z2=R2+jL2, impedanaa proprie a bobinei, impedanta echivalenta a obiectului, respectiv inductanta mutuala dintre acestea, se deduce: unde k este coieficientul de cuplaj între bobinasi obiect, dependent de pozitia relativa dintre acestea.

24. 1. Senzor cu curenti Foucault-circuit unic • Pentru a utiliza un singur circuit de excitatie, senzorul este asociat cu un dispozitiv mecanic de baleiaj ce permite explorarea suprafetei unde se afla acesta. • Miscarea de baleiaj a bobinei si curentii Foucault din zona fantei permit localizarea acesteia din urma pe baza analizei semnalului din bobina.

25. Deoarece senzorul este situat deasupra defectului (fantei) prezenta acestuia se traduce prin diminuarea curentilor Foucault în aceasta zona. • Se poate astfel aprecia simultan distanta dintre senzor si piesa, prin nivelul tensiunii continuie Vc , pozitia mijlocului fantei prin masurarea lui Vm si largimea fantei printr-o derivare a semnalului iesit din senzor. În aceasta situatie, trecerea prin zero a semnalului derivat va marca mijlocul defectului, iar frontierele acestuia marginile. • În practica însa miscarea de baleiaj a captorului prezinta inconvenientul ca poate fi sediul unor vibratii.

26. 2. Senzor cu curenti Foucault-circuit dublu • Tot pentru eliminarea mişcării de baleaj şi furnizarea directă a semnalului diferenţial se recurge la o măsurare pe ieşirile a două bobine între care se află defectul. • Dacă acest semnal este nul calajul este realizat pe mijlocul fantei. Variante ale acestui tip de senzor au fost dezvoltate de către firmele MATERIALDATA/AB, CEA/UGRA, FIAT, HITACHI, UNIWELD, MITSUBISHI HEAVI INDUSTRY. • Majoritatea lor recurg la acest procedeu pentru poziţionarea robotului în raport cu bisectoarea unghiului format între diverse laturi ale piesei de prelucrat. • Calajul se realizează dacă distanţele d1 şi d2 sunt egale.

27. 3. Senzor cu curenti Foucault-circuite multiple • Este evident că odată cu utilizarea mai multor circuite se pot determina şi alte mărimi (înălţimea , orientarea, etc.) senzorului în raport cu obiectul de interes pentru robot. Pentru a înlătura ambiguităţile de interpretare, de obicei se separă măsurările făcute cu diferite bobine. • Astfel senzorul din figura de mai jos (stanga) cuprinde două bobine centrale B1 şi B2 pentru detecţia defectului şi o bobină exterioară B3 pentru măsurarea distanţei. Cel reprezentat în figura de mai jos (dreapta) cuprinde 4 bobine permiţând poziţionarea defectului (B1-B2) distanţa medie între senzor şi obiect (B2-B3), şi orientarea senzorului în raport cu normala (B3-B4). • Variante ale acestui senzor permit determinarea si a altor parametri ai procesului (lătimea fantei, releveul acesteia, etc). În topul acestor realizări se situiază WELDING LABORATORY PITTSBURGH, CARNEGIE-MELLON UNIVERSITY, CEA/UGRA-ENSET, OXFORD UNIVERSITY, ENSET.

28. În figurile urmatoare este prezentată realizarea CEA/UGRA-ENSET în vedere generală şi detaliu.

29. Senzorul cu efect Hall • Efectul Hall se manifesta prin aparitia unei diferente de potential VH perpendicular pe liniile de curent ale unui conductor plasat într-un cîmp de inductie B. • Tensiunea Hall depinde de directia si valoarea lui B si este consecinta fortelor Laplace ce se exercita asupra sarcinilor electrice în miscare. • Senzorul Hall este constituit dintr-o sonda semiconductoare parcursa de un curent la bornele careia este masurata tensiunea Hall si dintr-un magnet permanent ce produce un cîmp de inductie B a carei valoare pe sonda depinde de poziia sa. • Unul din elemente, sonda sau magnetul permanent este fix, iar celalalt legat la obiectul mobil. Pentru a reduce problemele inerente legate de circuite electrice în miscare ce pot fi sediul unor semnale de nivel mic, de obicei sonda este cea fixa. În acest caz pentru a nu perturba miscarea obiectului, masa magnetului permanent trebuie sa fie relativ mica,ceea ce limiteaza plaja în care inductia este masurabilasi limiteaza domeniul de masurare.

30. Interesul pentru acest senzor este ca permite masurarea pozitiei sau a deplasarii unui obiect situat dincolo de un perete feromagnetic. Tensiunea furnizata de sonda Hall are forma: • unde C este sarcina electronului, n este densitatea electronilor, e grosimea sondei, I curentul prin sonda, BN inductia normala pe planul sondei. Constanta Hall este dependenta de temperatura pana la valori de ordinul 1%/0C, ceea ce face ca acest senzor sa nu poata fi folosit decît în medii cu temperatura constanta, compensarea erorilor fiind destul de complicata. Masurandul la care este direct sensibil senzorul de proximitate este componenta normala BN a inductiei magnetice; sensibilitatea corespunzatoare este:

31. Daca elementul Hall este utilizat ca un senzor de pozitie, magnetul permanent care creaza inductia constituie un corp de proba primar, pozitia sau deplasarea modificînd masurandul secundar care este BN, si ca urmare sensibilitatea traductorului este: • Sensibilitatea la pozitie a senzorului Hall de proximitate este deci proportionala cu gradientul inductiei normale, gradient ce depinde de natura magnetului si de pozitia lui în raport cu sonda. • Se obtin în mod curent sensibilitati de 5-15mV/mT iar dupa amplificare în prezenta unei tensiuni de decalaj: 0,2-15V/mm, pentru o plaja de masurat de ordinul 1mm si o liniaritate mai buna de 1,5% din intervalul de masurare. Senzorul de proximitate cu efect Hall în asociatie cu un Trigger-Schmitt se integreaza ca detector de proximitate.

32. Senzorul magnetorezistiv • Se bazeaza pe o rezistenta a carei valoare depinde de inductia magnetica în care este plasata, determinarea pozitiei facîndu-se indirect prin dependenta de aceasta a inductiei magnetice. • Conform cu cercetarile lui L.T.YUAN referitoare la utilizarea magnetorezistentei ca senzor de proximitate pentru domeniul robotilor, se poate obtine o relatie liniara între variatia de rezistentasi deplasare daca aceasta este adusa progresiv dintr-o regiune de inductie nula într-o regiune de inductie B uniforma prin deplasarea paralel cu curentul ce o traverseaza. • Rezistenta R a senzorului este în acest caz suma dintre rezistena R1(B) a partii supusa inductiei B si rezistenta R2(0) nesupusa inductiei:

33. si utilizand notatiile din figura: se obtine: Rezistenta fiind alimentata cu un curent I constant, variatia dVm a tensiunii la bornele sale este proportionala cu dx: unde sînt respectiv rezistivitatile la inductia B si la inductia nula. Influienta temperaturii este redusa la minimum utilizînd o punte Wheatstone cu ajutorul a patru magnetorezistente plasate de asa natura încat variatiile lor sunt egale si opuse.

34. Cu magnetorezistentele obisnuite de 550Ωsi la o inductie de aproximativ 1,2 T se obţine o sensibilitate de 8,8 V/mm, pentru un interval de mssurare de 0,5mm si o liniaritate de 0,7%. • Magnetorezistenta poate fi utilizatasi ca detector de proximitate în asociatie cu un tranzistor, prezenta sau absenta inductiei în locul unde aceasta este plasata, prezenta sau absenta ei în zona de actiune a inductiei, determinînd conductia sau blocarea tranzistorului.

35. SENZORI DE PROXIMITATE CAPACITIVI • Capul de măsură este format dintr-un conductor cilindric şi o anvelopă metalică coaxială realizând un condensator de capacitate fixă C1. Dacă obiectul de detectat se apropie de extremitatea conductoarelor precedente, formează împreună cu acestea alte două condensatoare: • unul având o armătură, suprafaţa extremă a conductorului central şi obiectul situat la distanţa x, ce are capacitatea direct dependentă de x, C(x); • celălalt este un condensator parazit format între anvelopa exterioară şi obiect, de capacitate Cp(x).

36. Capacitatea Cm se modifică în prezenţa obiectului: Măsurarea acestei capacităţi se poate efectua cu ajutorul unei punţi sau prin metode de deviaţie. O exemplificare a măsurării prin metoda punţii este prezentată în figura: Dacă obiectul şi anvelopa exterioară a senzorului sunt conectate la masă, capacitatea Cp(x) poate fi scurtcircuitată, realizându-se astfel: Tensiunea de dezechilibru a punţii, dependentă de deplasare este: Ce fiind capacitatea condensatorului de echilibrare.

37. Dacă deplasarea se efectuează în jurul unei poziţii D0 avem şi iar tensiunea de dezichilibru corespunzătoare unei delasări d este: Acest tip de senzor este interesant deoarece furnizează un răspuns indiferent de metalul din care este confecţionată ţinta cu condiţia ca suprafaţa acestuia să fie curată. Dezvoltări şi imbunătăţiri ale performanţelor unor astfel de senzori capacitivi cu aplicaţii în robotică sunt anunţate de către o multitudine de constructori şi cercetători.