Датчики положения в современных роботах

Гироскопы и акселерометры, а также более сложные бесконтактные сенсоры, являются основными датчиками в современных автоматизированных системах. МЭМС-сенсоры расширяют возможности роботов, повышают уровень безопасности, обеспечивают рост производительности и одновременное снижение стоимости
2055
В избранное

Современные роботы представлены не только промышленными автоматами, но и человекообразными машинами, которые как будто пришли к нам из научной фантастики. Более того, самые совершенные человекообразные роботы обладают мимикой и способны выражать эмоции не хуже, чем мы сами. Движения промышленных роботов также поражают удивительной грацией и молниеносной скоростью. Глядя на них, создается впечатление, что перед тобой живое существо, а не механическая система со сложной структурой обратных связей. Именно эти связи позволяют формировать команды, которые приводят робота в требуемое положение. Но как системный контроллер узнает, что робот принял необходимое положение? Ответ прост – с помощью датчиков.

Успехи, достигнутые в области МЭМС-датчиков, значительно расширили возможности точного позиционирования роботов. Для определения положения в робототехнике необходимо измерять шесть основных характеристик: наклон (tilt), вращение (rotation), ускорение (acceleration), ударные нагрузки (shock), вибрацию (vibration) и расстояние до объектов (proximity).

Определение углов наклона

Измерение углов наклона играет большую роль, например, при определении положения роботизированной руки. Эта достаточно интересная задача решается несколькими способами. В первую очередь наклон может быть определен по направлению вектора силы тяжести (g). Поскольку гравитация проявляется в виде ускорения, то для обнаружения наклона подойдет 3-осевой акселерометр. Работа МЭМС-акселерометров хорошо знакома всем владельцам смартфонов. Именно акселерометр используется для ориентации экрана при повороте мобильного устройства.

Движение роботизированной руки, изображенной на рис. 1, определяется комплексом кинематических уравнений. Эти уравнения используются при формировании управляющих сигналов для двигателей, которые отвечают за перемещение. Для столь сложных движений крайне важно иметь информацию о текущем положении каждого элемента. Только в этом случае можно понять, принял ли робот заданное положение или нет.

Роботизированная рука состоит из двух подвижных сегментов L1 и L2

Рис. 1. Роботизированная рука состоит из двух подвижных сегментов L1 и L2.
Их положение определяется углами θ1 и θ2. Акселерометры необходимы для измерения этих углов и формирования обратной связи. Получаемые данные используются в кинематических уравнениях.

ADXL345 – 3-хосевой 13-битный цифровой МЭМС-акселерометр от Analog Devices, который может быть использован для измерения направления гравитации с последующим вычислением углов наклона в трех измерениях.

ADXL345 поддерживает диапазоны измерений ± 2g, ± 4g, ± 8g и ± 16g. Так как гравитация Земли составляет всего ± 1g, то для определения углов наклона следует использовать самый узкий диапазон ± 2g. Таким образом, эффективное разрешение составит 12 бит, что соответствует половине от максимального 13-битного разрешения датчика.

Конечно, для измерений могут быть использованы и другие диапазоны (± 4g, ± 8g и ± 16g), но эффективное разрешение в этом случае окажется еще меньше.

Для двухмерных измерений могут быть использованы узкодиапазонные 2-хосевые акселерометры, например, ADIS16003 от Analog Devices. Рабочий диапазон ADIS16003 составляет всего ±1,7g. Корпус этого датчика следует ориентировать так, чтобы оси X и Y по умолчанию были параллельны поверхности Земли и перпендикулярны вектору гравитации. Такое положение позволяет использовать акселерометр в качестве 2-хосевого датчика наклона. Поскольку ADIS16003 обладает узким рабочим диапазоном ±1,7g, то его чувствительность в начальном положении (параллельно земле) оказывается очень высокой: 0,0175g на градус. При наклоне 45° чувствительность составит 0,0122g на градус.

Выходные сигналы акселерометра характеризуют ускорение и представляются в цифровой форме. Они могут быть использованы для вычисления углов наклона в соответствии со следующими формулами:

Наклон по оси X (Pitch) = ASIN(AX/ 1g)

Наклон по оси Y (Roll) = ASIN(AY/ 1g),

где AX - ускорение вдоль оси X, AY - ускорение вдоль оси Y.

Важно отметить, что хотя в штатном режиме для измерения углов наклона будет достаточно диапазона ± 1g, однако в процессе работы могут возникать ситуации, когда ускорение будет значительно выше, например, при ударе роботизированной руки по объекту или при резком торможении.

Вращающиеся механизмы

Вращение механизмов используется для различных целей. Например, на производстве применяется широкий спектр вращающихся инструментов: отвертки, дрели, зажимы и др. Если наклон определяется линейными перемещениями, то вращение характеризуется угловой скоростью. Кроме того в отличие от наклона, вращение не всегда сопровождаться изменением направления ускорения, что делает бесполезным применение акселерометров. Например, если 3-хосевой акселерометр вращается вдоль оси Z, перпендикулярной Земле, а ось X и Y параллельны Земле, то по оси Z будет наблюдаться постоянное ускорение 1g, а по осям X и Y ускорение 0g, то есть в этой ситуации вращение акселерометра вдоль оси Z не приведет к изменению показаний акселерометра. По этой причине для измерения вращения применяют специальные датчики – МЭМС-гироскопы.

Когда гироскоп вращается вокруг своей оси, его внутренняя чувствительная механическая система испытывает воздействие силы Кориолиса.

Принцип работы МЭМС-гироскопаРис. 2. Принцип работы МЭМС-гироскопа

МЭМС-гироскопы семейства iSensor от Analog Devices предназначены для обнаружения и точного измерения угловой скорости вращения. Они демонстрируют высокую надежность при работе в суровых условиях промышленного производства. Следует помнить о том, что не все гироскопы оказываются совместимыми между собой, поэтому крайне важно выбирать оптимальный гироскоп для каждого конкретного приложения.

Наиболее важными характеристиками гироскопов являются рабочий диапазон и чувствительность.

Рабочий диапазон определяется максимальной скоростью вращения, которую способен точно измерить гироскоп. Этот параметр выражается в градусах в секунду (°/сек).

Чувствительность определяется отношением изменения выходного сигнала к изменению скорости. Чем быстрее вращается гироскоп, тем выше напряжение. Чувствительность измеряется в милливольтах на градус в секунду (мВ/°/сек).

Если скорость вращения механизма велика, требуется гироскоп с широким диапазоном. Например, ADIS16266BCCZ от Analog Devices способен измерять скорость вращения до ± 14 000 °/сек. Для медленно вращающихся механизмов подойдет гироскоп ADIS16060BCCZ с диапазоном 80 °/сек. При работе с точными аналоговыми датчиками важно гарантировать минимальное падение напряжения при передаче сигнала в управляющий контроллер. Миниатюрный водонепроницаемый разъем Mizu-P25 от Molex обеспечивает контактное сопротивление всего 10 мОм и рейтинг пыле- и влагозащиты IP67. Он подходит для работы с сигналами малой амплитуды в условиях высокой вибрации.

Ударные нагрузки

Роботы иногда сталкиваются с другими объектами. Это может быть как аварийной, так и вполне штатной ситуацией. Удар представляет собой внезапное изменение ускорения, поэтому его легко обнаружить с помощью акселерометра. Однако в этом случае большое значение имеет положение датчика. Например, при ударе роботизированной руки о препятствие, максимальное ускорение испытает именно та часть, которая коснулась поверхности объекта. В то же время для других частей удар будет менее ощутимым.

Очень часто ударное воздействие должно быть обнаружено и обработано как можно скорее. Примером этого является отвод считывающей головки внутри жесткого диска в персональных компьютерах.

Если жесткий диск упал на твердый пол, встроенный акселерометр сразу обнаруживает удар. При этом считывающая головка должна быть удалена от поверхности диска в течение нескольких миллисекунд, чтобы не оставить царапин и не повредить хранящихся данных. Очевидно, что быстрое обнаружение такого события зависит от правильного позиционирования акселерометра.

Примерно то же самое требуется и при эксплуатации роботизированной руки. Акселерометры и гироскопы отслеживают правильность положения механизмов в соответствии с заданной программой движения. Однако, если возникла аварийная ситуация, и движение было заблокировано, критически важно, чтобы удар был быстро и надежно обнаружен и обработан.

Наиболее страшным примером является столкновение робота и человека. Для обеспечения защиты в таких случаях требуется специальный акселерометр. Более того, для гарантированной безопасности, в системе может использоваться несколько резервных акселерометров.

Вибрационные нагрузки

Вибрация в подавляющем большинстве случаев представляет собой негативное явление. Она, как правило, свидетельствует о наличии механических неисправностей, таких, например, как износ подшипников, поломка компонентов, недостаток смазки, нарушение соосности и выравнивания, разбалансировка и т.д. Таким образом, вибрация затрагивает одновременно и вопросы обслуживания и вопросы безопасности. Контроль вибрации может потребоваться для мониторинга состояния промышленных роботов, для общей диагностики и для выполнения упреждающего защитного отключения.

Вибрационный датчик ADIS16229 со встроенным радиопередатчиком от Analog Devices представляет собой беспроводную портативную платформу для промышленных приложений. Он обеспечивает мониторинг и регистрацию вибрационных нагрузок при работе в промышленных условиях.

Вибрационный датчик ADIS16229 со встроенным радиопередатчиком

Рис. 3. Вибрационный датчик ADIS16229 со встроенным радиопередатчиком от Analog Devices и ВЧ-разъемом Brass SMA от Molex

На плате датчика расположен ВЧ-разъем SMA от Molex, который имеет резьбовую фиксацию и гарантирует надежное соединение при наличии значительных ударных и вибрационных воздействий. Разъемы SMA обеспечивают минимальное отражение и затухание на частотах более 900 МГц.

Защита от избыточных ускорений

Измерение ускорений с помощью акселерометров может использоваться, как для непосредственного обнаружения движения, так и для определения положения объекта. В частности, акселерометр поможет разобраться – был ли объект поднят с пола или поставлен.

С другой стороны МЭМС-акселерометр может использоваться для защиты робота от избыточных ускорений. Например, если внешние силы начинают воздействовать на робота и заставляют его двигаться со скоростью, превышающей безопасное значение, акселерометр фиксирует аварийную ситуацию и выполняет защитное отключение.

Датчики приближения

Датчики приближения позволяют обнаруживать присутствие объектов без необходимости в физическом контакте. Это может оказаться важным как с точки зрения безопасности, так и полезным с точки зрения удобства эксплуатации. В качестве примера можно привести сенсоры CapSense от Cypress Semiconductor. Датчик CY8CKIT-024 CapSense совместно с отладочным набором Cypress Pioneer kit, становится готовым решением для обнаружения объектов.

Датчик CapSense создается вокруг себя электрическое поле (рис. 4). Силовые линии этого поля замыкаются на землю и окружающие объекты, тем самым образуя пространственный конденсатор, емкость которого может быть измерена. При приближении объекта часть линий электрического поля начинает замыкаться через него, изменяя общую емкость пространственного конденсатора. Измерительная схема датчика CapSense фиксирует эти изменения и определяет расстояние до объекта, а также его положение.

Емкостной датчик CapSense от Cypress

Рис. 4. Емкостной датчик CapSense от Cypress

На рисунке 4:

  • CX = общая емкость, измеренная датчиком CapSense
  • CP = паразитная емкость датчика
  • CF = емкость, добавленная объектом

Таким образом, датчики CapSense обеспечивают трехмерное распознавание объектов и жестов. Рассмотренное решение будет полезно для роботов, использующихся на сборочных линиях. Датчики CapSense также можно применять в качестве аварийных сенсоров, которые будут предотвращать столкновение роботов с препятствиями.

Заключение

МЭМС-датчики широко используются в робототехнике для позиционирования, защиты и диагностики. Гироскопы и акселерометры, а также более сложные бесконтактные сенсоры, являются основными датчиками в современных автоматизированных системах. МЭМС-сенсоры расширяют возможности роботов, повышают уровень безопасности, обеспечивают рост производительности и одновременное снижение стоимости.

Производитель: Analog Devices Inc.
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADIS16003CCCZ
ADIS16003CCCZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 189056 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 50 шт.
Выбрать
условия
поставки
ACCELEROMETER DUAL AXIS, ADIS16003; Axes, No. of:2; Gravity Range:+ 1.7g; Sensitivity:820LSB/g; Current, Supply:1.5mA; Voltage, Supply Min:3V; Voltage, Supply Max:5.25V; Termination Type:SMD; Case Style:LGA; Pins, No.…
ADIS16003CCCZ от 3925,27
50 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADIS16060BCCZ
ADIS16060BCCZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 329518 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 28 шт.
Выбрать
условия
поставки
Yaw Rate Gyroscope IC; No. of Axes:1; Sensitivity:80°/sec; Supply Current:4.3mA; Supply Voltage Min:4.75V; Supply Voltage Max:5.25V; Termination Type:SMD; Package/Case:16-LGA; No. of Pins:16; Leaded Process Compatible:Yes
ADIS16060BCCZ от 7135,38
28 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADXL345BCCZ
ADXL345BCCZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 336963 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 486 шт. от: 256 руб.
3-осевой акселерометр с SPI/I2C интерфейсом
ADXL345BCCZ от 256,00 от 16 шт. 220,00 от 35 шт. 198,00 от 76 шт. 183,00 от 199 шт. 174,00
355 шт.
(на складе)
131 шт.
(под заказ)
ADXL345BCCZ-RL7
ADXL345BCCZ-RL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 661993 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 609 шт. от: 203 руб.
Accelerometers 3-Axis Low g Digital-Output
ADXL345BCCZ-RL7 от 203,00 от 20 шт. 174,00 от 45 шт. 157,00 от 96 шт. 145,00 от 251 шт. 138,00
194 шт.
(на складе)
415 шт.
(под заказ)
ADXL345TCCZ-EP
ADXL345TCCZ-EP
Analog Devices Inc.
Арт.: 1202255 PDF AN RD DT
Доступно: 98 шт.
Выбрать
условия
поставки
ACCELEROMETER, 3-AXIS, DIGITAL, LGA-14
ADXL345TCCZ-EP от 2018,79
98 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADIS16229AMLZ
ADIS16229AMLZ
Analog Devices Inc.
Арт.: 2390048 ИНФО PDF RD DT
Доступно: 6 шт.
Выбрать
условия
поставки
VIBRATION SENSOR, 18G, MCML-2
ADIS16229AMLZ от 33031,70
6 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
ADXL345TCCZ-EP-RL7
ADXL345TCCZ-EP-RL7
Analog Devices Inc.
Арт.: 2560109 ИНФО PDF AN RD DT
Доступно: 90 шт.
Выбрать
условия
поставки
Accelerometers 3-Axis Low g Digital-Output
ADXL345TCCZ-EP-RL7 от 2205,23
90 шт.
(под заказ)
Выбрать
условия
поставки
Производитель: ADAFRUIT INDUSTRIES
Наименование
Производитель
Описание Корпус/
Изображение
Цена, руб. Наличие
ADXL345 - Triple-Axis Accelerometer [+-2g/4g/8g/16g] w/ I2C/SPI]
ADXL345 - Triple-Axis Accelerometer [+-2g/4g/8g/16g] w/ I2C/SPI]
ADAFRUIT INDUSTRIES
Арт.: 1922728 ИНФО PDF DT
Доступно: 4 шт. от: 877 руб.
ADXL345 - Triple-Axis Accelerometer (+-2g/4g/8g/16g) w/ I2C/SPI Filling out our accelerometer offerings, we now have the really lovely digital ADXL345 from Analog Devices, a triple-axis accelerometer with digital I2C and SPI interface breakout.…
ADXL345 - Triple-Axis Accelerometer [+-2g/4g/8g/16g] w/ I2C/SPI] от 877,00
4 шт.
(на складе)

Сравнение позиций

  • ()