Ing. Václav Rada, CSc

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

CW01 - Teorie měření a regulace ZS – 2014/2015

Ta.1 © 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb

Teorie měření a regulace taktilní 1

17.SPEC-tak.1. ZS – 2014/2015

© 2014 - Ing. Václav Rada, CSc.

T- MaR

MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY

Další pokračování o

dalších moderních principech snímačů

………… Taktilní snímače 1 © VR - ZS 2013/2014


T- MaR

Taktilní snímače pro automatizaci - 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 nejrůznějších oblastí, vědy, techniky i „obyčejného“ života - ….. © VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní snímače pro automatizaci - jsou obsaženy v nejrůznějších předmětech a prvcích, aniž by si to jedinec uvědomoval a používá je běžně a bezproblémů …. - …..

© VR - ZS 2014/2015

T- MaR

Taktilní snímače 1

Taktilní … hmatový, dotykový, smyslový. Hmat je tradičně řazen mezi pět lidských smyslů. Ve skutečnosti je hmat spíše soubor několika různých smyslů, které pomocí receptorů v kůži umožňují získávat informace z bezprostředního okolí -

tlaku, bolesti, chladu, tepla, vpichu, vibrací atd. Hmatové receptory jsou v kůži rozprostřeny s různou hustotou. WIKIPEDIA.CZ 2012/2013 © VR - ZS 2014/2015

T- MaR


Taktilní … hmatový, dotykový, smyslový. Souhrnně se uvedený soubor stimulací nazývá taktilní kontakt. Mezilidský kontakt pomocí doteku se nazývá haptika.

WIKIPEDIA.CZ © VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní snímače jsou inspirovány různými biologickými vzory. Jednou z charakteristik biologicky inspirovaných taktilních snímačů je, že obsahují více než jednu snímací strategie. Například - zjištění, jaké je rozložení tlaků a sil, pomocí pole tlakových snímačů (čidel) tenzometrické růžice.



T- MaR

Proto je výhodou biologicky navrženého taktilního snímače, že je schopen provádět naráz různé druhy snímání, např. dvoubodová diskriminace (dvojbodový dotyk) i síla (tlak) snímání. Jeden takový snímač kombinuje snímání síly (tlaku), snímání vibrací, snímání teploty i přenosu tepla.



T- MaR

Jeden takový snímač kombinuje snímání síly (tlaku), snímání vibrací, snímání teploty i přenosu tepla.

Může dále sloužit např. k určení hmotnosti, těžiště, koeficientu tření, tepelné vodivosti, atp.



T- MaR

Pokročilé verze biologicky navržených taktilních snímačů zahrnují snímání vibrací. Vibrace jsou určeny jako důležité pro pochopení interakcí mezi snímačem hmatu (taktilním s.) a objektů po kterém klouže (taktilní) čidlo po objektu. Tyto interakce jsou nyní chápány jako důležité pro lidské (ale i průmyslové) nástroje posuzování struktury objektu.



T- MaR

V průmyslu se nyní přikládá značný význam systémům pro získání a zpracování obrazové informace – v mnoha případech jsou taktilními snímači doplněny. V robotice nemohou být mechanické vlastnosti objektu určeny pouze z obrazu.

© VR - ZS 2014/2015

T- MaR


Taktilní snímače, které měří velmi malé změny, musí mít velmi vysokou citlivost. Vlastní čidla musí být navržena tak, aby měly malý vliv na to, co se měří.



T- MaR

Taktilní … s tím souvisí:

Mechanoreceptor (dotykový či taktilní receptor) je smyslový receptor (orgán), který zaznamenává změny tlaku (dotyk), bolest, napětí a natažení. Mechanoreceptory obecně patří mezi jednodušší smyslové receptory, vznikly z epiteliálních buněk pokožky (je tkáň tvořená buňkami, které na sebe těsně naléhají, a minimem mezibuněčné hmoty. © VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní senzory pro automatizaci Informace o základních kategoriích, konstrukčních principech, vlastnostech, příkladech řešení a použití taktilních senzorů a snímačů, nacházejících uplatnění jak v robotice a montážní a manipulační technice v průmyslu, tak zčásti mimo průmyslové obory.



T- MaR

Taktilní senzory pro automatizaci Roboty jsou konstruované k interakci s objekty – to vyžaduje manipulaci zahrnující: přesnost, zručnost, nebo interakce s neobvyklými předměty. K tomu je nezbytné zajistit smyslový aparát, který je funkčně ekvivalentní s různými senzory, kterými je člověčenstvo (lidská pracovní síla …) přirozeně obdařeno. Taktilní senzory byly vyvinuty pro použití s roboty. WIKIPEDIA.CZ © VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní senzory pro automatizaci

Taktilní čidla a snímače umožňují získat specifickou informaci, kterou nelze obstarat jiným způsobem a jejíž znalost je nutná při interakci mezi různými předměty, prvky, tělesy, …...

© VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní čidla a snímače - je to velmi široký pojem ………... velké množství různých prvků od mikrospínačů indikujících dotyk, přes senzory měřící úchopnou sílu nebo prokluzování uchopeného předmětu až po složité snímače nahrazující lidský hmat – ty jsou z aplikačního hlediska asi nejvýznačnější.

© VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní čidlo nebo snímač je prvek schopný snímat informaci o dotyku s prvkem vnějšího prostředí a převádět ji na elektrický signál. Taktilním snímačem je obvykle míněno maticově nebo jinak polohově uspořádané seskupení dílčích taktilních čidel a snímačů.

© VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní čidlo nebo snímač je prvek realizovaný na různých fyzikálních principech čidel jiných fyzikálních veličin …. přitom hmat není fyzikální veličinou, protože zahrnuje tlak i jiné fyzikální, ale i NEFYZIKÁLNÍ veličiny.

© VR - ZS 2014/2015


T- MaR

Taktilní systémy mají oproti standardním systémům četné výhodné vlastnosti, zejména: – malá a lehká zařízení s možností být součástí úchopné hlavice, – možnost měnit pracovní prostor senzoru (snímače) přesunem úchopné hlavice, – paralelní sběr a rychlý paralelní přenos údajů, – ……

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

– ……. – značná míra nezávislosti na okolních vlivech v porovnání s vizuálními systémy, kde dopadající stíny mohou vést k chybám, – snadné pořízení výstupního signálu v číslicové formě, – levná realizace, a to včetně celého rozpoznávacího systému, – možnost řídit robot v reálném čase. © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

– ……. 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



© VR - ZS 2011/2012

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

T- MaR


T- MaR

Taktilní senzory pro automatizaci Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií:

1. určené k rozpoznání tvaru a rozměru předmětů: a) taktilní snímač vhodně umístěný na aktivní úchopné hlavici robotu = taktilní informace se získává z primárních nebo ze sekundárních taktilních senzorů taktilního snímače při uchopení (sevření) předmětu úchopnou hlavicí; tímto se získá informace o globálních vlastnostech objektu, © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

Z hlediska účelu lze taktilní snímače rozdělit do čtyř kategorií:

b) taktilní snímač umístěný na zařízení, které postupně aktivně ohmatává rozpoznávaný předmět tak, že postupuje po jeho povrchu; získává tedy taktilní informaci o lokálních vlastnostech povrchu objektu v relativně malé oblasti, v níž se objektu dotýká.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR


2. Jednoduché taktilní snímače nebo čidla umístěné na aktivní úchopné hlavici, jejichž cílem je zjistit, zda byl předem známý předmět správně uchopen; generují jen dotykovou informaci a lze je použít i k vyhodnocení síly stisku čelistí úchopné hlavice.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR


3. Taktilní čidla a snímače umístěné na exponovaných místech ramena robotu, kdy cílem je plnit bezpečnostní funkce (např. dají signál k zastavení pohybu ramena, jestliže toto narazí na neočekávaný objekt).

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR


4. Taktilní čidla a snímače generující informaci využívanou k řízení pohybu robotů či jiných automatických mechanismů a k usnadnění jejich orientace v prostoru.

© VR - ZS 2011/2012


Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní snímače a senzory se podle použitého fyzikálního principu dělí na systémy – s elastomery – s tenzometry – s odporovým principem – s kapacitním principem – s infračerveným principem – s ultrazvukovým principem – s piezoelektrickými materiály – s optickými vlákny © VR - ZS 2013/2014

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci Taktilní snímače a senzory se podle použitého fyzikálního principu dělí na systémy – s tlustou odporovou vrstvou – s tenkou odporovou vrstvou – s vakuovou diodovou strukturou – s využitím prvků CMOS

© VR - ZS 2013/2014

T- MaR


T- MaR


… snímače s elastomery Snímač s vodivým elastomerem informuje nejen o prostém kontaktu, ale může poskytnout i kvantitativní a kvalitativní informaci o předmětu, s jehož povrchem přicházejí čidla do kontaktu.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


… … 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.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery 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

T- MaR


… snímače s elastomery

6

4

Typická závislost odporu R taktilního snímače s vodivým polymerem na působící síle F – a je nelineární v celém rozsahu.

2

0 14

16

18

20

22

24 F [N]

© VR - ZS 2013/2014

26

28


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Senzory s citlivým polymerním materiálem (Force Sensitive Resistor – FSR) = odporové čidlo využívající závislost elektrického odporu polymerové vrstvy (Resistive Film, FSR Polymer Ink) na působící síle.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR 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 vzájemně dotýkají, a vytvářejí tak vodivé dráhy, čímž se odpor vrstvy zmenšuje. © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Čidlo FSR lze typicky zatížit silou do 10 N, do max. 100 N. Při typické změně odporu v rozmezí 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 Čidla FSR se nehodí pro přesná měření.

Důvodem je tolerance (rozdílnost) převodní charakteristiky mezi jednotlivými čidly, která činí 15 až 25 %.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Tato varianta má příznivější převodní (statickou) charakteristiku – má „menší“ nelinearitu. Lineární část převodní charakteristiky je delší (větší) a proto ji lze snáze využít k měření zatížení.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Výstupní elektrický signál lze linearizovat rezistorem nebo softwarově v počítači. Jednotlivé konstrukce snímačů se liší umístěním elektrod a elastického materiálu.

© VR - ZS 2013/2014


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Umístění elektrod a elastického materiálu, který leží mezi snímacími elektrodami nebo je umístěn na dvojici speciálně tvarovaných elektrod, je charakteristickou reálnou vlastností. Snímač může obsahovat různé vrstvy, které nastavují měřicí rozsah a popř. chrání vodivý elastomer před poškozením při velkém rázovém přetížení.

© VR - ZS 2013/2014


T- MaR

… snímače s elastomery …… 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 elastické plenky, obě varianty jsou chráněny mezinárodními patenty). © VR - ZS 2013/2014


T- MaR

… snímače s elastomery …… 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


Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery ……

Snímač Plantograf V05

© VR - ZS 2013/2014

T- MaR

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery typu FSR Uspořádání snímače FSR od firmy Interlink Electronics.

pružný substrát s tištěnou odporovou vrstvou vlepená vrstva mezera

pružný substrát s tištěnými elektrodami © VR - ZS 2011/2012

aktivní oblast

rub


T- MaR

… snímače s elastomery typu FSR Základem senzoru 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 vzájemně dotýkají, a vytvářejí tak vodivé dráhy, čímž se odpor vrstvy zmenšuje. © VR - ZS 2013/2014

T- MaR


… snímače s elastomery typu FSR 100

Typická statická charakteristika

10

1

0,1

0,1

1

10

100

[N] FF [N] © VR - ZS 2011/2012


T- MaR


FlexiForce od fy Tekscan, Inc. používá tenká, ohebná čidla s vodivým materiálem na dvou tištěných podkladových materiálech – výhody: • lepší linearita • měření s vyšším zatížením • stabilní výkon s ohledem na prostor.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR


Výhody této konstrukce jsou však historicky omezené připojovacími konektory = pinové konektory jsou nejpraktičtější a cenově dosti efektivní – a snadno přizpůsobitelné potřebám aplikaci koncového zákazníka.

© VR - ZS 2011/2012


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery

Uspořádání čidla od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


T- MaR

… snímače s elastomery Výhody FlexiForce čidel: • velká flexibilita • vynikající linearita a přesnost (lepší než ± 3 %) • přesné aplikační a technické pokyny • široká škála rozsahů měřených sil • výstup senzoru není funkcí snímací plochy • vysoká teplota při měření (až 210 ºC) HighTemp Model (HT201) • velmi malá tloušťka čidla – 0,2 mm. © VR - ZS 2011/2012


T- MaR


Typická specifikace čidla: Linearita: < ± 3 % (přímka pro 0 – 50 % zatížení) Opakovatelnost: < ± 2,5 % z rozsahu ( do 80 % plné působící síly) Hystereze: < 4,5 % z rozsahu (do 80 % plné působící síly) Drift: < 5 % z logaritmicky rostoucího času (trvalé zatížení 90 %) © VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery Doba odezvy: < 5 μsec (doba potřebná k reakci čidla na změnu vstupní síly - nárazové zatížení) Provozní teplota: standardní -9 °C až 60 °C nebo -9 °C až 204 °C provedení High-Temp na přání Vliv teploty: ± 0,36 % na 1 °C Pro zatížení, méně než cca 5 kg je provozní teplota standardního provedení zvýšena na 74 °C.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR


FlexiForce čidla fungují jako snímací odpor v el. obvodu – pro nulový tlak má vysoký odpor (isolant) – pro velký tlak tento odpor klesá. Hodnotu odpor lze číst na připojením multimetru. Platí, že křivka vodivosti je lineární.

© VR - ZS 2011/2012



© VR - ZS 2013/2014

T- MaR



© VR - ZS 2013/2014

T- MaR



Uspořádání tlakového čidla s kruhovou snímací plochou od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR



Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou (8x) snímací plochou od firmy Tekscan –

FlexiForce. © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícená-sobnou (3x) snímací plochou speciálného tvaru od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou (24x) snímací plochou speciálného tvaru od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s vícenásobnou snímací plochou

© VR - ZS 2013/2014

T- MaR



…… snímače s elastomery

© VR - ZS 2013/2014

T- MaR



© VR - ZS 2013/2014

T- MaR



© VR - ZS 2013/2014

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Uspořádání tlakového čidla s nesymetrickou snímací plochou od firmy Tekscan – FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR



Přklady provedení maticového čidla (cca 380 x 380 mm) od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Příklady provedení celkem malého čidla (úhlopříčka 0,25“, tj. cca 6,35 mm) od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Příklad provedení výrobku = pásku s čidly – který lze stříhat na jednotlivá čidla podle aplikace fa Tekscan –

FlexiForce. © VR - ZS 2011/2012

T- MaR



Přklady provedení čidel od firmy Tekscan –

FlexiForce.

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


T- MaR


Používají se v konstrukci dotykových klávesnic, notebookových touchpadů, dalších různých zařízení, popř. ke zjišťování polohy předmětů. Lze vyrobit čidla různých tvarů. Lze vyrobit snímače složené z jednotlivých čidel.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery typu odporová vrstva Čidlo reaguje na normálovou, i na tečnou složku síly. … jde o dva spojená vrstvová čidla - první je tvořeno klky na odporové vrstvě a vytváří tzv. dynamický senzor, citlivý na dynamickou změnu polohy klků působením tečné složky síly, na kterou spodní odporová vrstva nereaguje (druhý). Statická tlaková síla se projeví ve spodní vrstvě reagující změnou odporu. - obr. následuje © VR - ZS 2013/2014

T- MaR


… snímače s elastomery typu odporová vrstva a)

normálová složka síly dynamický

Princip čidla – působení normálové a smykové složky síly

statický t

tečná složka síly

t

b) dynamický

statický t

t

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR


… snímače s elastomery typu FSR krycí pryžová vrstva vrchní podpěra

Konstrukce prstu umělé ruky DLR se senzorem FSR

připojovací konektor

pružná vrstva

B

A

A

vnitřní podpěra

B

pružná vrstva

Materiál FSR

Materiál FSR

© VR - ZS 2013/2014

Materiál FSR


T- MaR


… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Detekční fólie Pressurex® od firmy Sensor Product Inc. je velmi tenká (tloušťka 0,01 až 0,05 mm), vnějším vlivům odolávající pružná fólie umožňující stanovit rozložení tlaku mezi dvěma dotýkajícími se povrchy objektů - i zakřivených.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex

Obsahuje tenkou vrstvu mikrokapsulí, umístěnou vespod přenosové polyesterové fólie, které se působením síly protrhnou a jejich obsah zapůsobí na barevnou vývojovou vrstvu, na vyvíjecí fólii.

© VR - ZS 2011/2012


T- MaR

… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex 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 změnou barvy. - obr. následuje © VR - ZS 2011/2012

T- MaR


… snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex Princip čidla – použití fólie Pressurex

a)

b) 100 % 87 %

a) fólie po zatížení,

75 % 62 %

b) převod intenzity zabarvení na působící tlak

50 %

37 % 25 % 0%

© VR - ZS 2011/2012

T- MaR




… snímače s tenzometry …. jsou v pokračování

© VR - ZS 2014/2015

T- MaR


… a to by bylo k 1. informaci

o prvcích pro automatizaci zatím vše © VR - ZS 2014/2015

......

TMaR


……… Ta.1 © VR - ZS 2013/2014

Ing. Václav Rada, CSc

Recommend Documents