Rysunek 1. Model mechanizmu chwytu robota. Sześć składowych obciążenia dynamicznego: Z – zbliżenia; D – dotyk; P – poślizg; Fs – siła ścisku; K – rozpoznawanie kształtu; F – siła; M - moment

Rysunek 2. Mechanizm chwytu wyposażony w układ rozpoznawania kształtu (K) - kolor fioletowy.

Wymagania stawiane w stosunku do czujników i kanałów transmisyjnych stosowanych w robotyce

Aktywne oddziaływanie robota na otoczenie opiera się na informacji o stanie środowiska i cechach poszczególnych obiektów znajdujących się w obrębie pracy robota, a także informacji o stanie samego robota i jego mechanizmów wykonawczych.

Dla prawidłowego funkcjonowania robota wymagane jest posiadanie różnego rodzaju informacji o cechach mechanicznych i fizykochemicznych środowiska i poszczególnych obiektów, o ich orientacji i współrzędnych, o orientacji i współrzędnych samego robota i jego organów wykonawczych oraz o rozwijanych siłach.

Czujniki stosowane w robotach dzielą się na dostarczające informacji o parametrach charakteryzujących wewnętrzny stan robota oraz na dostarczające informacji o stanie środowiska.

Informacja o stanie robota i otaczającym go środowisku przedstawiona jest na wyjściu czujników w formie sygnałów odpowiadających określonym znaczeniom wykrywanego parametru.

Parametrami stanu robota są przede wszystkim jego położenie i prędkość poszczególnych jego elementów oraz działające w nich siły. natomiast do parametrów stanu otoczenia robota zaliczyć można współrzędne położenia i orientację w przestrzeni przedmiotów, z którymi robot pracuje, kształt tych przedmiotów, parametry zaburzeń działających na robota w trakcie jego pracy, a także  różnego rodzaju bardziej specyficzne cechy środowiska, które należy znać przy wypełnianiu konkretnej operacji technologicznej.

Wymagania stawiane w stosunku do czujników stosowanych w robotyce

1. Małe rozmiary i prosta konstrukcja. Czujniki powinny być przystosowane do rozmieszczenia ich w mechanizmach chwytu robota i innych miejscach o ograniczonych wymiarach.
2. Wysoka niezawodność i odporność na zakłócenia zewnętrzne, biorąc pod uwagę pracę w obecności pól elektromagnetycznych, możliwość wahania napięcia i częstotliwości sygnału zasilania.
3. Odporność na działania mechaniczne (uderzenia i wibracje) oraz zmiany parametrów otoczenia (temperatura i wilgotność).
4. Łatwość w obsłudze.
5. W większości przypadków, konieczność bezwzględnego odczytywania przemieszczeń.
6. Oczywiście możliwie jak najniższe koszty.
7. Jednym z podstawowych wymagań w stosunku do charakterystyk dynamicznych czujników jest zapewnienie wymaganej powtarzalności cykli pomiarowych.  

Możliwości techniki światłowodowej z punktu widzenia zapotrzebowania robotyki

W chwili obecnej większość czujników, przeznaczonych do pomiaru wielkości jest typu elektrycznego i elektronicznego. Czujniki te są umieszczone i zintegrowane z mechanizmem chwytu.

Rysunek 3. Schemat blokowy wyposażenia robota [2] (zmienione).

Jednakże w wielu przypadkach wbudowanie wysokoczułych elementów elektronicznych w mechanizmie chwytu jest niewskazane. Umieszczone na pracującym mechanizmie czułe i złożone oprzyrządowanie elektroniczne może przeszkodzić w wykonaniu zasadniczych zadań urządzenia lub samo ulec zniszczeniu.

W wielu przypadkach zastosowanie promieniowania podczerwonego i urządzeń optyki światłowodowej może ułatwić zdobywanie i przetwarzanie informacji, potrzebnej do sterowania mechanizmu chwytu robota. Pozwala także zmniejszyć rozmiary stosowanych do tego celu układów. W przypadku zastosowania techniki światłowodowej urządzenia niezbędne do generowania sygnałów o zbliżaniu, dotyku, poślizgu, sile ścisku i innych wielkościach mogą być przeniesione z obszaru mechanizmu chwytu w miejsca bardziej bezpieczne dostatecznie oddalone od „ręki „ robota (Rys. 3). Na powyższym rysunku przedstawiono schemat blokowy oprzyrządowania robota ze szczególnym uwzględnieniem potencjalnych możliwości techniki światłowodowej.

W robocie światłowodowe kanały transmisyjne mogą przesyłać sygnał optyczny do zasilania przetwornika, informację z przetwornika do detektora a także sygnały z jednostki koordynującej.

Celem jednostki koordynującej jest ustalenie hierarchii czynności oraz w wypadku takiej potrzeby, wymiana informacji pomiędzy różnymi kanałami sprzężenia zwrotnego. Oprócz tego światłowody mogą być zastosowane do budowy czujników różnych wielkości.

Światłowodowy czujnik zbliżenia

Czujnik zbliżenia dostarcza informacji o odległości pomiędzy czujnikiem, a powierzchnią chwytanego przedmiotu, a także o konfiguracji detali znajdujących się w odległości do kilkudziesięciu milimetrów od mechanizmu chwytu.

Czujnik zbliżenia jest zbudowany z kabla rozgałęzionego w kształcie litery „Y”. Opiera się on na otwartym optoizolatorze składającym się z diody elektroluminescencyjnej i fototranzystorze. Optoizolator jest bezpośrednio umieszczony w odpowiednim miejscu mechanizmu chwytu.

Takie rozwiązanie wymaga zastosowanie układów elektronicznych współpracujących z optoizolatorem i umieszczonych razem z nim na ramieniu.

Rozwiązanie światłowodowe czujnika zbliżenia w pewien sposób przedłuża gałąź optyczną tego optoizolatora, co pozwala na wygodne usunięcie wszystkich części elektronicznych poza mechanizm chwytu robota.

Światłowodowy czujnik wizji

Czujnik ten ma za zadanie w zależności od miejsca jego usytuowania rozpoznawanie kształtów chwytanych przedmiotów oraz ich identyfikację według z góry określonych kryteriów typu: liczba krawędzi, środek ciężkości, liczba otworów, jeden z rzutów przedmiotu. Ma on także za zadanie rozpoznawanie przestrzeni serwisowej robota w celu omijania przeszkód.

Opracowane są obecnie metody otrzymania informacji o scenie dwuwymiarowej za pomocą dość prostych czujników np. powierzchnia z macierzą elementów czuciowych, czy sztuczna wizja w pewnym stopniu analogiczna do zmysłu wzroku człowieka.

Światłowodowy czujnik wizji może być wykonany w formie macierzy światłowodów, rozmieszczonej na całej wewnętrznej powierzchni jednej ze szczęk mechanizmu chwytu, wtedy źródło światła umieszczone jest na przeciwległej szczęce. W chwili gdy przedmiot chwytany znajdzie się pomiędzy szczękami na macierzy światłowodów powstaje na zasadzie cienia płaski, 0-1 obraz, który przez światłowodowe kanały informacji jest przekazywany do dalszej obróbki [1].

Inną koncepcją rozwiązania światłowodowego czujnika wizji jest tzw. tasiemka, utworzona ze sklejonych światłowodów umieszczona na wewnętrznej stronie jednej ze szczęk mechanizmu chwytu. W czasie wysuwania ramienia, umieszczona prostopadle do kierunku ruchu, tasiemka światłowodów skanuje znajdujący się pomiędzy szczękami przedmiot.

Obraz płaski jednej z powierzchni przedmiotu można uzyskać przez odpowiednie umieszczenie źródła światła. Układ odbiorczy sygnału optycznego, transmitowanego przez światłowód w czujniku wizji może być zrealizowany przy użyciu fotodiod, których liczba odpowiada liczbie zastosowanych światłowodów.

W układach wizji mogą również znaleźć zastosowanie obrazowody światłowodowe. Część recepcyjna kabla zintegrowanego zakończona jest zazwyczaj klasycznym obiektywem o dużej głębi ostrości.

Obraz z obiektywu pada na powierzchnię czołową kabla i podlega dyskretyzacji. Część odbiorcza urządzenia fibroskopowego zaopatrzona jest ponownie w okular, który nie zachowuje dyskretnego charakteru obrazu, tylko podaje go obserwatorowi w postaci integralnej.

Zachowanie dyskretnego charakteru raz podzielonego obrazu pozwala na znacznie łatwiejsze wykorzystanie go do celów sterowania.

Na ogół do wymienionego celu pełna informacja obrazowa nie jest potrzebna. Wystarczy zazwyczaj detekcja: kształtu, środka ciężkości, konturów, krawędzi, pól o dużym kontraście, ilości elementów i ich rozmieszczenia, ewentualnie orientacji.

Światłowodowy czujnik dotyku

Czujnik dotyku znalazł najwcześniej zastosowanie w robotach przemysłowych. Były to czujniki dotyku przełącznikowe i ciągłego działania. Proste czujniki dotyku o charakterystykach przełącznikowych zbudowane są na bazie mikroprzełączników.

Czujniki dotyku ciągłego działania konstruowane są na bazie przetworników indukcyjnych lub z wykorzystaniem materiałów typu kompozycji metalopolimerów zmieniających swe właściwości przy deformacji [3].

Czujnik dotyku można zbudować w oparciu o kapsułę pomiarową zawierającą włókno optyczne.

Niewielkich rozmiarów czujniki dotyku można grupować w macierze i wówczas mechanizm chwytu robota posiada pewien analog zmysłu dotyku na dużej powierzchni.

Podsumowanie

Czujnik optyczny jest elementem optoelektronicznym. Zasada działania polega na wysyłaniu wiązki promieni świetlnych przez nadajnik oraz na odbieraniu jej przez odbiornik. Czujnik ten reaguje na obiekty przecinające wiązkę światła pomiędzy nadajnikiem a odbiornikiem lub na wiązkę odbitą od obiektu. Czujniki optyczne charakteryzują się dużymi strefami wykrywania obiektów.

Powyżej przedstawiony układ wykorzystujący kombinację światłowodowych czujników detekcji jest początkową fazą rozwoju tego typu rozwiązań w robotyce.

Autor: Karolina Wójciuk

Literatura:

1. E. Marszalec, 1986. “Optical fiber Sensor for colour recognition in robotics,” in Optical Fibers and Their Applications IV, ed.  M. Szustakowski, R. Romaniuk, Proc. SPIE, Vol. 670, pp. 161-167

2. J. Marszalec, 1992. “Optical Fiber Sensors and Systems,” in Precision Sensors, Actuators and Systems Solid Mechanics and Its Applications, Vol. 17, pp. 219-297

3. J. Schoenwald, A. Thiele, E. Gjellum, 1987. “Novel fiber optic tactile array sensor,” in Proc. of IEEE Conference on Robotic and Automation, pp. 1792-1797