CW01 - Teorie měření a regulace

Prezentace na téma: "CW01 - Teorie měření a regulace"— Transkript prezentace:

1 CW01 - Teorie měření a regulace
Ústav technologie, mechanizace a řízení staveb CW01 - Teorie měření a regulace Cv.8-Ta.0 ZS – 2013/2014 © Ing. Václav Rada, CSc.

2 taktilní snímače VYBRANÝ VÝBĚR INFORMACÍ k dalšímu z principů snímačů
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR VYBRANÝ VÝBĚR INFORMACÍ k dalšímu z principů snímačů taktilní snímače Taktilní snímače -VÝBĚR © VR - ZS 2013/2014

3 Taktilní senzory pro automatizaci
MĚŘENÍ – TEORIE A PRINCIPY T- MaR Taktilní senzory 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 nejrůz-nějších oblastí, vědy, techniky i „obyčejného“ života - ….. Taktilní snímače -VÝBĚR © VR - ZS 2011/2012

4 Taktilní čidla a snímače - je to velmi široký pojem ………...
Taktilní snímače -VÝBĚR 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

5 Taktilní snímače -VÝBĚR
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

6 – ……. základní (vybraná) uplatnění:
Taktilní snímače -VÝBĚR 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

7 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR 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

8 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR 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

9 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR 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 MATICOVÉ © VR - ZS 2013/2014

10 … snímače s elastomery Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery 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

11 … … elastomery – z čeho to je?
Taktilní snímače -VÝBĚR 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

12 Taktilní snímače -VÝBĚR
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

13 … snímače s elastomery T- MaR
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery R (k Ω ) 6 4 2 14 16 18 20 22 24 26 28 F [N] Typická závislost odporu R taktilního snímače s vodivým polymerem na působící síle F – a je nelineární v celém rozsahu. © VR - ZS 2013/2014

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

15 … snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery typu FSR 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

16 … snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR 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 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

17 … snímače s elastomery typu FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery typu FSR 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

18 … snímače s elastomery ……
Taktilní snímače -VÝBĚR 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 elas-tické plenky, obě varianty jsou chráněny mezi-národními patenty). © VR - ZS 2013/2014

19 … snímače s elastomery ……
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery …… Obsahuje 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 ,5 MHz a rozlišení na výstupu osm bitů ( to znamená rozlišení pomocí 256 úrovní). © VR - ZS 2013/2014

20 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery …… Snímač Plantograf V05 © VR - ZS 2013/2014

21 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery typu FSR pružný substrát s tištěnou odporovou vrstvou mezera vlepená vrstva pružný substrát s tištěnými elektrodami rub aktivní oblast Uspořádání snímače FSR od firmy Interlink Electronics. © VR - ZS 2011/2012

22 Taktilní senzory pro automatizaci
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci …… snímače s elastomery Uspořádání čidla od firmy Tekscan – FlexiForce. © VR - ZS 2011/2012

23 … snímače s elastomery typu odporová vrstva
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery typu odporová vrstva 1/ R U t normálová složka síly dynamický statický tečná složka síly a) b) Princip čidla – působení normálové a smykové složky síly © VR - ZS 2011/2012

24 Konstrukce prstu umělé ruky DLR se senzorem FSR
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery typu FSR vnitřní podpěra krycí pryžová vrstva vrchní podpěra připojovací konektor Materiál FSR A B pružná vrstva Konstrukce prstu umělé ruky DLR se senzorem FSR © VR - ZS 2013/2014

25 … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Taktilní senzory pro automatizaci … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex 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

26 … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex 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

27 … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR 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 změ-nou barvy. - obr. následuje © VR - ZS 2011/2012

28 … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR … snímače s elastomery - detekční fólie Pressurex intenzita bar vy 100 % a) b) 87 % 75 % 62 % 50 % 37 % 25 % 0 % Princip čidla – použití fólie Pressurex a) fólie po zatížení, b) převod intenzity zabarvení na působící tlak © VR - ZS 2011/2012

29 Čidla se změnou přechodu a odrazu světla
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

30 Čidla s optickými vlákny se vzájemnou optickou vazbou
TMaR Taktilní 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

31 deformační člen síla, teplota, …. od zdroje světla k detektoru světla
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR síla, teplota, …. deformační člen od zdroje světla k detektoru světla Uspořádání optického taktilního čidla se změnou vazby (čidlo s deformačním členem) 2011/2012

32 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

33 síla deformační člen od zdroje světla k detektoru světla
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR od zdroje světla síla deformační člen k detektoru světla Uspořádání optického taktilního čidla se změnou útlumu (čidlo s deformačním členem) 2011/2012

34 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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 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

35 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR Podobně představují příležitost pro aplikování taktil-ních čidel a snímačů jsou v kombinaci se speciálními konstrukcemi využívajícími, tzv. inteligentní (smart) textilie. 2011/2012

36 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

37 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

38 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

39 Antropomorfní čtyřprstá hlavice se senzory DLR v akci s míčkem
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR Antropomorfní čtyřprstá hlavice se senzory DLR v akci s míčkem 2011/2012

40 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR Vrchol využití umělé inteligence v robotice představuje měkký interaktivní lidský robot RI-MAN, vyvinutý v Rikenu, Bio-Mime-tic Control Research Centru v Japonsku 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

41 TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

42 Povrch robota je měkký, příjemný na dotyk.
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR 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

43 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. © VR - ZS 2013/2014

44 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. ……. © VR - ZS 2013/2014

45 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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 © VR - ZS 2013/2014

46 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. © VR - ZS 2013/2014

47 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. © VR - ZS 2013/2014

48 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. © VR - ZS 2013/2014

49 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače 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. © VR - ZS 2013/2014

50 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače Funkce MTS © VR - ZS 2013/2014

51 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače Funkce MTS © VR - ZS 2013/2014

52 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače Funkce MTS © VR - ZS 2013/2014

53 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače © VR - ZS 2013/2014

54 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače © VR - ZS 2013/2014

55 Maticové taktilní snímače
Taktilní snímače -VÝBĚR T- MaR Maticové taktilní snímače © VR - ZS 2013/2014

56 Informace o taktilních snímačích vznikly na základě údajů:
TMaR Taktilní snímače -VÝBĚR Informace o taktilních snímačích vznikly na základě údajů: z článku v časopise AUTOMA č. 8, rok autor doc. Ing. Jaromír Volf, DrSc., FS ČVUT v Praze z článku v časopise AUTOMA č. 11, rok 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 2012/2013

57 TMaR Taktilní snímače 1 ……… Ta.0 © VR - ZS 2013/2014