SEMINARSKI RAD

Predmet: Transportni sistemi II Tema: Senzori vanjskog stanja kod industrijskih robota

SADRAJ: 2UVOD 3 1.0 Senzori industrijskih robota 42.0 Senzori vanjskog stanja kod industrijskih robota 52.1 Taktilni senzori 62.1.1 Senzor klizanja 72.1.2 Senzori bazirani na promjeni otpora 82.1.3 Elektromagnetski induktivni senzor 92.1.4 Kapacitivni taktilni senzor 9 2.2 Senzori sile i momenta 11 2.2.1 Primjena mjernih traka kod senzora sile/momenta 12 2.2.2 estokomponentni senzori sile ake 13 2.2.3 Induktivni estokomponentni senzori sile 14 2.2.4 Senzor sile u zglobu ake 14 2.3 Senzori blizine 15 2.3.1 Induktivni senzori blizine 17 2.3.2 Kapacitivni senzori blizine 19 2.3.3 Ultrazvuni senzori blizine 19 2.3.4 Optiki senzori blizine 21 2.4 Senzori vizije 23 2.4.1 Struktura senzora vizije 25 2.4.2 CCD poluprovodnike kamere 26 2.4.3 Primjena senzora vizije u robotici 27 2.4.4 3D - senzori vizije 29

ZAKLJUAK 32LITERATURA 32POPIS SLIKA 32

UVOD :

Senzor je ureaj koji mjeri neku fiziku veliinu i pretvara je u signal koji moe biti proitan, pretvoren, prenesen, analogan, digitalan. Senzori robota su jedni od najznaajnijih elemenata svakog robota, jer upravo senzori su omoguili primjenu robota kako u industriji tako i u svakodnevnom ivotu. Bez senzora roboti bi bili bez osjetila te ne bi mogli da rade operacije koje danas izvode, to se posebno odnosi na mobilne robote jer oni imaju veu interakciju sa ljudima i senzori su ti, koji su razvili povjerenje ljudima prema mobilnim robotima, tako da mobilni robot moe proi pored ovjeka, bez bojaznosti istog. Osnovni zadatak senzora jeste da uspostavi interakciju robota sa okolinom, odnosno da robot odredi svoj poloaj u prostoru i poloaj drugih tijela u prostoru. Vanost senzora se najbolje oituje u tome da se razvila jedna posebna nauka, koja se samo bavi prouavanjem senzora i njihovoj primjeni, ta nauka se zove senzorika. Industrijski robot je viefunkcionalni manipulator koji se moe reprogramirati i koji je namijenjen da pomijera radni materijal, predmete, alat i specijalne ureaje na razne zadate naine u cilju izvravanja razliitih zadataka.

1.0 Senzori industrijskih robota

Naini na koji se vri podjela senzora ukljuuju : fiziki princip na kojem je senzor baziran, fiziku ili hemijsku veliinu koju senzor mijenja, tehnologiju koja se koristi kod izrade vlakana, tip energije : solarna, mehanika, elektrina, odnos senzora i objekta koji se senzorira : kontakt, bez kontakta.

Osnovna podjela senzora, kod industrijskih robota je na : Senzore unutranjeg stanja (pozicija, brzina, otklon, inercijalni, navigacioni sistem) i Senzore vanjskog stanja (taktilni, priblini, odstupanja, virtualni, pozicije). Slika 1.0 Podjela senzora u robotici

Danas se senzori vanjskog stanja vie koriste od senzora unutranjeg stanja. Regulacija rada motora i cilindra vri se mjerenjem brzine, pomaka, uglova i sila.Razvijanjem robota ide se i na razvoj senzora kao sistema za prepoznavanje vanjskih stanja tj. sistema koji e prikupljati podatke o stanju okoline robota (oblicima, udaljenosti, razmjetaju predmeta, preprekama itd.).Roboti e moi da reaguju na takve situacije u okolini samo uz podrku raunara novijih generacija.

2.0 Senzori vanjskog stanja kod industrijskih robota

Za pravilnu orjentaciju i ponaanje robota u okolini, nuno je da robot posjeduje takve mjerne instrumente koji e prikupljati podatke iz okoline.Senzori vanjskog stanja mogu se podijeliti na : kontaktne i beskontaktne, ovisno od toga da li postoji kontakt ili ne, zatim se mogu podijeliti prema postojanju povratnog impulsa : aktivni postoji povratni impuls (npr. laser) i pasivni primalac signal s predmeta (vanjsko osvjetljenje) i podjela po mjernom prostoru : senzori taktilne okoline, senzori lokalne okoline i senzori globalne okoline senzori za raspoznavanje.Podjela senzora vanjskog stanja, prikazana je na slici 2.0 : Slika 2.0 Osnovne grupe senzora vanjskog stanja

2.1 Taktilni senzori

Da bi robot mogao adekvatno djelovati na promjene okoline u kojoj radi, nuno je da posjeduje takve senzore koji e mjeriti fizike veliine radnog prostora robota.Ovi senzori spadaju u grupu binarnih ureaja. Jednim dijelom spadaju u grupu senzora sile, jer u mnogim sluajevima daju informaciju, ne samo o obliku objekta, ve i o sili stezanja datog objekta.Ako se mjere samo rezultante pri dejstvu sila, momenata du kontaktne linije ili povrine, taktilni senzor se moe napraviti kao minijaturni estokomponentni senzor sile/momenta montiran na vrhu prsta, prikazan na slici 2.1 :

Slika 2.1 Mjerenje kontaktne sile estokomponentnim senzorom na prstu

Vrenjem manipulacije predmeta neophodno je praenje svih sila u takama kontakta, tada je potrebno imati niz senzora koji su poredani u matrice.Postoji veliki broj senzora ove vrste, meutim samo neki od njih e biti obraeni u ovom seminarskom radu, pod sljedeim naslovima.

2.1.1 Senzor klizanja

Klizanje je esta pojava i ona se manifestuje kao kretanje objekta izmeu prstiju. Zbog toga je potrebno ugraditi i takve senzore koji e vriti kontrolu i detekciju, a sve u cilju pouzdanijeg i stabilnijeg dranja objekta.Jedan takav, jednostavniji senzor, prikazan je na slici 2.1.1 :

Slika 2.1.1 Jednostavni senzor klizanja

Veoma je bitno voditi rauna o tangencijalnom trenju, jer poveanjem tangencijalnog trenja dolazi do irenja zone klizanja.Da bi imali stabilnu kontrolu klizanja, potrebno je ugraditi senzor koji e razlikovati normalne sile i sile smicanja. To se postie na dva naina : ugradnjom senzora klizanja koji e se pomjerati proporcinalno klizanju objekta, primjenom programa koji e vriti poreenje slika dobijenih u obliku niza ili matrice za odreeni vremenski period.Prvi nain je dosta jednostavniji.

2.1.2 Senzori bazirani na promjeni otpora

Struktura ovakvih senzora se sastoji od dva niza paralelnih elektroda. Izmeu niza paralelnih elektroda nalazi se sloj elastomera koji je provodan.Nizovi elektroda su poredani normalno jedni u odnosu na druge. Usljed kontaktne sile dolazi do pojave lokalne deformacije elastinog sloja, odnosno do promjene otpora koja se detektuje izmeu dviju elektroda. Na slici 2.1.2 su prikazani senzori bazirani na promjeni otpora :

Slika 2.1.2 Senzori bazirani na promjeni otpora : a) konstrukcija sa otpornikim slojem b) sa trakama od polimera

Ovakvi se senzori uglavnom ugrauju na prst robota. Postavljanjem ovakvog senzora na sve prste robota dobija se jasna slika predmeta. Glavni nedostatak im je veliki broj ica potrebnih za povezivanje. Savremenija konstrukcija je data na slici 2.1.2 b).Sastavljena je od dvije osnovne polimerske osnove na koje su nanijete tankoslojne metalne trake provodnika, a preko njih tankoslojni otporniki polimer debljine 0,05 mm.Dvije ovakve strukture se spajaju pod uglom od 90 stepeni.Ukupna debljina ovakvog senzora moe da bude svega od 0,125 mm.

2.1.3 Elektromagnetski induktivni senzor

Ovi senzori su vee grae i kao takvi su pogodni za detekciju veih objekata. Na slici je prikazan jedan takav senzor koji ima 88 induktivnih elemenat transformacijskog tipa. Svaki elemenat se sastoji od elinog iljka koji je smjeten u plastinom cilindru i opruge od fosforne bronze.Ova bronza je upotrebljena za izradu opruga, ime opruga dobija dobra elastina svojstva i ne ometa magnetsko polje. Pomjeranjem mjernog iljka mijenja se napon u primarnim i sekundarnim namotajima smjetenim u gornjem dijelu ureaja. I ovdje imamo da je izlazni signal binaran, tako da se pomou odreenog sklopa moe dobiti binarna slika objekta koji se mjeri. Slika 2.1.3 Elektromagnetski induktivni taktilni senzorPoeljno je da senzor prati to manje krivine i posebno treba voditi rauna da ne doe do zaglavljivanja iljaka u cijevi.

2.1.4 Kapacitivni taktilni senzor

Kapacitivni senzori mogu ostvariti rezoluciju od 1 mm pri detekciji predmeta. Veinom su prsti robora u obliku cilindra sa jezgrom od plastike. Oko jezgra imamo postavljene cilindrine elektrode, a izvan imamo elektrode u obliku matrice 77 do 720.

Usljed pomjeranja vanjskih elektroda dolazi do promjene kapacitivnosti kondenzatora. Opisani taktilni senzor nam omoguuje da se odredi oblik predmeta.

Slika 2.1.4.1 Raspored ploastih kondenzatora na prstuPored prethodnih vrsta senzora postoje jo i pijezoelektrini, ultrazvuni, optoelektronski, termiki i drugi senzori. Sve prednosti i nedostaci razliitih vrsta senzora kombinuju se u jedan sloeni taktilni sistem radi dobijanja potpunije informacije o predmetima u aci robota.

Slika 2.1.4.2 Kombinovani taktilni senzor na prstu prihvatnice Svaki senzor ima definisanu namjenu, tako npr. estokomponenti senzor slui sa mijenjanje rezultante sile/momenta.

2.2 Senzori sile i momenta

Postoji vie razliitih senzora za mjerenje sile i momenta. U robotici nije dovoljno izmjeriti samo jednu komponentu sile, ve je potrebno da se izmjere sve tri komponente sile i momenta.Postoje dva temeljna principa mjerenja sile. Kod prvog principa imamo promjenu osobina materijala kao to su npr. induktivnost, elektrina otpornost itd., tada je materijal pod dejstvom sile. Drugi princip obuhvata mjerenje elastine deformacije.Usljed deformacije izazvane dejstvom sile, elastine komponente mjernog ureaja se deformiu, pa se tako dobijaju pomjeranja koja sadre informacije o sili.Na slici su prikazana osnovna mjesta ugradnje senzora sile/momenta.To su uglavnom : zglob ake, zglob lakta, zglob ramena i aka. Slika 2.2 Mjesta ugradnje senzora sile/momenta

Tokom obavljanja nekih zadataka, kao to su poliranje, lakiranje, montaa itd. upravljaka jedinica robota kontrolie sva kretanja na osnovu zadatih pozicija sve dok ne nastupi kontakt prihvatnice sa radnim objektom.

U tom sluaju moramo imati senzore koji e nam davati informacije o sili. U memoriji upravljake jedinice robota memorisana je tzv. referentna konstanta sile koja se tokom kretanja uporeuje sa dodirom sile. Upravljaki algoritam se projektuje tako da omoguuje smanjivanje razlike izmeu njih.

2.2.1 Primjena mjernih traka kod senzora sile/momenta

Mjerne trake se danas dosta primjenjuju na onim mjestima kada je potrebno odrediti pomjeranje uzrokovano optereenjem. To pomjeranje mjerne trake mjere na osnovu elektrine otpornosti koja nastaje kao posljedica promjene duine otpornika.Tanka nit debljine 20 50 m, od legure bakra i nikla lijepi se izmeu dva lista papira ili plastine folije (kod temperatura viih od 300 stepena C koristi se nit od platine ili njenih legura). Jedna samoljepljiva traka sa metalnom niti veliine 5 50 mm je prikazana na slici 2.2.1.1: Slika 2.2.1.1 Mjerna traka i mjesta ugradnje mjernih trakaMjerne trake se ugrauju u Wheastaneov most, na taj se nain ponitavaju uticaji okoline, a poveava linearnost. Slika 2.2.1.2 Wheastoneov most

Za mjerenje pomou Wheastoneovog mosta potrebno je prije podesiti otpore, tako da je izlazni napon jednak nuli, tada za mosta kaemo da je izbalansiran.

2.2.2 estokomponentni senzori sile ake

Ovi senzori se svrstavaju u grupu digitalnih senzora, njihova osobina je velika kompaktnost.Na slici 2.2.2 je prikazan estokomponentni senzor sile ake u obliku upljog cilindra.Deformirajue tijelo je specijalno oblikovan uplji cilindar prenika 75 mm. Struktura ovog cilindra se sastoji od 4 uzduna i 4 poprena elastina pera koja su osjetljiva na uzdunu i poprenu deformaciju cilindra. Na svakom peru se nalaze po dvije mjerne trake koje slue za mjerenje lokalnih deformacija istog intenziteta, a suprotnih znakova. Zadatak senzora je mjerenje triju komponenata momenta. Slika 2.2.2 Cilindrini estokomponentni senzor sile ake

Osim ovog senzora postoji jo i modularni estokomponentni senzor sile, koji je jednostavnije konstrukcije od prethodnog. Takoe postoji jo jedan nain za izvoenje estokomponentnog senzora. Kod ovog se senzora mjerna traka postavlja na etiri meusobno jednaka konzolna nosaa.

2.2.3 Induktivni estokomponentni senzor sile

Ovaj senzor je jednostavne konstrukcije. Senzor se sastoji od dvije ploe, gdje je jedna ploa privrena na posljednji segment robota, a druga je ploa spojena sa hvataljkom.Izmeu ploa se nalaze tri opruge. Dejstvom sile ploe se sabiju du ose Z. Sila i moment se odreuju na osnovu meusobnog poloaja ploa. S obzirom da je pomjeranje odreeno sa est komponenti to je potrebno najmanje est mjernih ureaja (senzora).Kao mjerni elementi se najee koriste kapacitivni i induktivni senzori. Prikaz takvog jednog estokomponentnog senzora dat je na slici 2.2.3 : Slika 2.2.3 Induktivni estokomponentni senzor sile

2.2.4 Senzor sile u zglobu ake

Senzori ovog tipa se ugrauju u zglob ake robota. Senzor se sastoji od etiri unakrsna elastina pera koja su u taki ukrtanja vezani za posljednji lanak robota.Na svakom peru se nalazi po jedna mjerna traka, kako je prikazano na slici 2.2.4 a). Primjena ovih senzora je najee kod montae elemenata sa sloenim uzajamnim poloajem.Veinom je to kod uklapanja objekata sa sloenim tolerancijama, kako j prikazano na slici 2.2.4 b)

Slika 2.2.4 Senzor sile u zglobu ake : a) izgled senzora, b) primjena senzora

2.3 Senzori blizine

Karakteristika ovih senzora je da imaju izlazini signal koji se mijenja kada je blizina objekta vea ili manja od odreene vrijednosti. esto se jo i nazivaju relejnim senzorima, odnosno prekidaima. Senzori blizine su jeftini, jednostavni i izdrljivi.Osnovna primjena ovih senzora u robotici je kod brojanja komada i pri detekciji prisustva objekta i prepreka.Kuita, kablovi, primjena u eksplozivno opasnim sredinama propisani su evropskim standardima EN50008 EN50044. Senzori blizine imaju relejnu statiku karakteristiku sa histerezisom. Za tehniku primjenu ovih senzora, relevantni su sljedei podaci, koji su prikazani slikom 2.3. :Rastojanje ukljuivanja S predstavlja rastojanje objekta od aktivne povrine senzora pri kojoj dolazi do ukljuivanja senzora.Realno rastojanje ukljuivanja Sr predstavlja rastojanje objekta od aktivne povrine senzora koje obuhvata proizvodne i konstrukcione tolerancije pri nominalnom naponu napajanja i radnoj temperature 20 stepeni C. Vrijednost mu se kree u granicama 10% od Sn, odnosno 0,9 Sn < Sr < 1,1Sn.

Nominalno rastojanje ukljuivanja Sn predstavlja rastojanje objekta od aktivne povrine senzora pri kojoj dolazi do ukljuivanja senzora. Naravno tu se zanemaruju odstupanja odreenih parametara, kao to su: uticaj temperature, nestabilnost napona napajanja i dr.Efektivno rastojanje ukljuivanja Se je udaljenost od objekta do aktivne povrine pri emu se uzima u obzir i uticaj temperature. Njegov iznos je Se = (0,81 1,21) Sn.Operativno rastojanje ukljuivanja So je rastojanje objekta od aktivne povrine senzora koje obezbjeuje siguran rad, a obino se kree u granicama 0 < So < 0,8Sn. U sluaju da imamo da je radni object vei od test objekta ova se rastojanja neznatno mijenjaju. U ovu grupu senzora spadaju: induktivni, kapacitivni, ultrazvuni, optiki itd.

Slika 2.3 Mjerenje rastojanja ukljuivanja po normama

2.3.1 Induktivni senzori blizine

Princip rada ovih senzora se zasniva na zavisnosti induktivnosti kalema od promjene magnetne otpornosti. Pribliavanjem predmeta senzoru raste induktivnost, udaljavanjem predmeta deava se suprotno.Blok ema jednog induktivnog senzora data je na slici 2.3.1.1.

Slika 2.3.1.1 Struktura induktivnog senzora blizine

Prikljuenjem senzora na izvor napajanja elektrinom energijom dolazi do oscilacija na rezonantnoj frekvenciji. Ove rezonancije su uzrok stvaranja elektromagnetnog polja iji je pravac prostiranja u smjeru ose senzora.Izlazni signal se mijenja s promjenom udaljenosti predmeta. Induktivni senzori se prave kao: U-profili, cilindrini profili i prizmatini profili, kako je to prikazano na slici 2.3.1.2.

Slika 2.3.1.2 Konstruktivne izvedbe induktivnih senzora

Kuite ovih senzora se uglavnom pravi od nehrajueg elika ili polimera. Na samom kuitu se esto ugrauju LED diode za vizuelnu indikaciju stanja i ispravnosti napajanja.Induktivni senzori se lako ugrauju. Neki konstrukcioni detalji ugradnje induktivnih senzora dati su na slici 2.3.1.3. Slika 2.3.1.3 Konstrukcioni detalji ugradnje induktivnih senzora: a) direktna ugradnja, b) ugradnja u udubljenju, c) ugradnja u nizu, d) detekcija ugaone brzine, e) detekcija ugaonog ubrzanja.

Na slici 2.3.1.3 a) imamo nain ugradnje senzora zavisno od primjene. Da bi se izbjegao uticaj kuita na induktivnost, senzor se moe ugraditi i u udubljenju.Na slici 2.3.1.3 b i c) dati su primjeri ugradnje senzora za mjerenje ugaone brzine i smjera ugaone brzine.Senzori se mogu postaviti radijalno ili aksijalno u odnosu na disk. Kad mjerimo ugaonu brzinu koristimo sluaj pod b), a smjer ugaone brzine pod c).

2.3.2 Kapacitivni senzori blizine

Princip rada ovih senzora slian je principu rada induktivnih senzora. Rad senzora je miran i beskontaktan. Spadaju u grupu senzora za odreivanje blizine objekta, a mogu posluiti i za mjerenje zglobne brzine.Osnovni element senzora je kondenzator koji se prikljuuje na oscilator ili pojaiva.Konstrukcija jednog ovakvog senzora data je na slici 2.3.2

Slika 2.3.2 Struktura kapacitivnog senzora

Pojavom objekta izmeu elektroda dolazi do stvaranja naizmjeninog napona. Dobiveni naizmjenini napon se ispravlja i poredi sa naponom praga mit-ovog trigera koji je najee podeen na ekvivalentnom preklopnom rastojanju. Do porasta rastojanja ukljuivanja doi e zbog prisustva vlage i praine, kao i usljed porasta temperature.Obino se tano oitavanje vrijednosti prikljuivanja odreuje uz tano definisane uslove. Kod ovih se senzora dijelektrina konstanta kree blizu jedinice. Zbog toga nisu pogodni za detekciju predmeta od prozirnih materijala.

2.3.3 Ultrazvuni senzori blizine

Osnovni elementi ultrazvunog senzora blizine su: ultrazvuni primopredajnik, ureaj za formiranje izlaznog signal i pojaiva, kako je prikazano na slici 2.3.3.1

Slika 2.3.3.1 Struktura ultrazvunog senzora

Ovi senzori se koriste kao senzori blizine, a mogu posluiti i za odreivanje zglobne brzine.Mogu biti izvedeni kao pijezoelektrini, a obino se prave kao elektrostatiki. Radna frekvencija elektrostatikih senzora je 250 kHz. Izraeni su od dvije metalne elektrode prikljuene na jednosmjerni prednapon (300 V), tako da se meusobno privlae, slika 2.3.3.2

Slika 2.3.3.2 Ultrazvuni senzori: a) elektrostatiki, b) pijezoelektrini

Jedna elektroda je fiksirana, dok druga koja je privrena po obodu poinje vibrirati u skladu sa silom stvarajui ultrazvune talase.Pijezoelektrini primopredajnici se prave od pijezoelektrinih materijala. Prikljuenjem pijezoelektrine membrane na naizmjenini napon, ona pone da osciluje i djeluje kao generator ultrazvuka (slika 2.3.3.2 b).Pri gradnji ovih senzora javlja se vie problema (nejednaka brzina prostiranja ultrazvuka u razliitim medijima, zavisnost brzine od temperature i pritiska vazduha, slabljenje intenziteta zbog radijalnog irenja i apsorpcije, djelovanje uma i dr.)Primjeri primjene ovih senzora su razliiti, jedan od primjera dat je na slici 2.3.3.3

Slika 2.3.3.3 Detekcija ulaza/izlaz

2.3.4 Optiki senzori blizine

Ovi senzori se sastoje od optikog para-predajnika i prijemnika. Kao predajnici veinom se koriste LED-diode i laserske diode, dok se kao prijemnici koriste fototranzistori, fotodiode i fotootpornici. Njea kombinacija je LED-dioda i fototranzistor.Optiki par radi usaglaeno u odreenom podruju optikog spektra. Obino je optiki signal u podruju vidljive svjetlosti, u podruju kratkotalasne infracrvene svjetlosti ili u podruju srednjetalasne infracrvene svjetlosti.Optiki senzori koji imaju refleksiju na objektu, tano prepoznaju objekt na odreenoj udaljenosti, koja je ovisna o intenzitetu emitovane svjetlosti, poloaja predmeta u odnosu na prijemnik i predajnik, slika 2.3.4.1.

Slika 2.3.4.1 Optiki senzor kod prepoznavanja predmeta

Ovi se senzori uglavnom izrauju u kuitima od plastike. Ako se radi o manje dostupnim mjestima, optiki se zrak moe dovesti pomou optikih vlakana i ogledala. Na slici 2.3.4.2 je prikazan jedan optiki senzor s produecima od optikih vlakana.

Slika 2.3.4.2 Optiki senzor sa produecima od optikih vlakana

Dovodno vlakno je povazano sa LED-diodom, a odvodno sa fototranzistorom.Zbog svojih malih dimenzija mogu se ugraivati skoro na svakom mjestu. Neki od primjera ugradnje ovih senzora dati sun a slici 2.3.4.3.

Slika 2.3.4.3 Primjeri ugradnje optikih senzora: a) detekcija ice, b) detekcija broja obrtaja zupanika, c) detekcija visine.

2.4 Senzori vizije

Vjetaka vizija ima za cilj povezivanje raunara, elektronike i robotike, a sve to da bi se donekle postigla ovjekova vizuelna sposobnost. Oponaanje ovjekovih triju komponenti (oka, optikog nerva i modanih funkcija) u pojedinim aspektima je bolje od uzora, a ponekim i slabije. No uvijek kada su u pitanju brzina, mogunost rada u nekim nepogodnim sredinama prednost se daje sistemima vjetake vizije.Razvijanjem vjetakog ula vida robot se razvija u pogledu samostalnosti u izvravanju postavljenih zadataka. Kompijuterska tehnika nam daje 2D sliku 3D elemenata.Postoje tzv. polarizacijske naoale pomou kojih je mogue dobiti prividnu dubinu. Karakteristino za te naoale je da posjeduju polarizacijske filtere koji proputaju zelenu i crvenu svjetlost. Raunari pomou kojih se eli vidjeti trodimenzionalna slika moraju posjedovati dodatni hardwerski dio sa sofisticiranim grafikim sposobnostima.Osnovna tri elementa ili nivoa senzora vizije su: procesiranje slike, klasifikacija i analiza scene.

Osnovna tri nivoa senzora vizije prikazani su na slici 2.4.a): Slika 2.4 a) Osnovna tri nivoa senzora vizije

Prvi nivo nam omoguava podeavanje slike, odnosno dobijanje slike i njene poboljane verzije. Jedna od najvanijih etapa prvog nivoa je filtracija uma. Pojava umova dovodi do problema osvjetljenosti nekih detalja. Npr. ivica objekta postaje tamnija ili svjetlija nego to bi trebala biti. Za sluaj kada imamo da je slika tamnija od eljene vrimo podeavanje sjajnosti i kontrasta slike. Da bi se to postiglo vri se oduzimanje ili dodavanje sjajnosti od svih piksela. Piksel je element slike dobijen pomou jednog optoelektronskog senzora.Drugi nivo predstavlja sposobnost prepoznavanja likova na sceni. Iz prethodnog nivoa smo dobili 2D sliku scene sa izvrenim korekcijama zbog poboljanja kvaliteta slike. Prvi korak drugog nivoa je djeljenje slike na elementarne ivice i njihovo spajanje u linije i konture objekta. Da bi dolo do smanjenja obrade velikog broja informacija, u resteru slike se preko A/D-pretvaraa proputa niz gradacija sjajnosti slike nekog objekta. To je tzv. siva slika koja pokazuje siluetu objekta slika 2.4. b). Kontura (ivica) je jo jednostavnija zbog binarne gradacije slike tj. radi se o dvije gradacije sjajnosti slike (crna/bijela 0/1).

Slika 2.4. b) Slika predmeta (a) sa siluetom (b) i konturom (c)

Sam prijelaz siluete na konturu predstavlja derivaciju pomou diferencijalnih operatora.

Ekstrakcija i klasifikacija se odnose na identifikaciju istovrsnih karakterstika razliitih objekata radi njihovog poreenja i prepoznavanja.Trei nivo je analiza scene. Analiza scene se odvija kroz interpretaciju i aktuaciju.Vizuelni sistemi imaju sposobnost znanja o klasi objekta i opremljeni su bazama podataka. Rezultati interpretacije usklauju se kroz interakciju izmeu robota i scene.Neki od problema rjeavanja su: analiza meusobnih objekata na sceni, grupiranje pojedini oblasti radi dobivanja konture, traenje linija i kontura.

2.4.1 Struktura senzora vizije

Senzori vizije su se prvo razvijali kao optiki senzori blizine, da bi se danas koristili optiki nizovi i 2D-matrice. Vizualni senzor je ustvari optiki senzor koji optiko zraenje pretvara u sliku. Dananji senzori vizije su opremljeni kamerama kao fundamentalnim senzorima, a nastojanja su da viziju dobijemo primjenom lasera i optikih vlakana.Komponente jednog senzora vizje su date na slici 2.4.1.1. U zavisnosti od cilja vizije se biraju parametri komponenti senzora.

Slika 2.4.1.1 Osnovne komponente senzora vizije

Tu se mogu izdvojiti komponente: upravljaka jedinica, kojom se vri koordinacija rada sistema i ostvaruje veza s displejem, osvjetljenje, obraivai signal slike (A/D-pretvarai, mikroprocesor) i softver,

optiki senzor s dodatnim ureajima (U/I konvertor, pojaiva, mehanizam za hlaenje), optiki elementi (soivo, prizma, ogledalo).Osnovni elementi su poziciono osvjetljive foto-diode i poluprovodniki detektori.Jedan od problema kod senzora vizije je nain osvjetljenja predmeta u random prostoru.Da bi se izvrila identifikacija objekta potreban je dobar kontrast tj. visok odnos signal/um.Neki od naina osvjetljenja dati sun a slici 2.4.1.2.

Slika 2.4.1.2 Nain osvjetljenja a) direktna metoda, b) pomou kondenzatora, c) pomou formiranja sjenki.

2.4.2 CCD poluprovodnike kamere

Postoje razliiti tipovi kamera. Najstarija je svakako TV kamera koja nije pouzdana zbog lomljivosti, kratkog vijeka trajanja i nelinearnosti napona. Zatim imamo vidikon kamere. Vidikon kamera je kamera na bazi vakumske cijevi sa senzorskom elektrodom od Sb2S3. Iako se ine odgovarajua poboljanja (gusto pakovanje fotodioda), sve se manje koriste zbog nedostataka. Neki nedostaci su: vee dimenzije, osjetljivost na vibracije i manja pouzdanost.Danas se najvie primjenjuju poluprovodnike CCD-kamere.Poeci ovih kamera datiraju jo poetkom 60-tih godina. Mjesta ugradnje ovih kamera su veinom u aci robotske ruke. Njihov princip se zasniva na konverziji fotona u naelektrisanje. Ta se konverzija moe opisati ili pomou fotodiode ili pomou MOS kondenzatora.Razluivanje kamere je 512512. Razmaci izmeu elemenata su 30 m. Primjeri kamere ovakvog tipa dati su na slici 2.4.2. Slika 2.4.2 CCD kamere izvedene u obliku niza MOS tranzistora

2.4.3 Primjena senzora vizije u robotici

Vjetaka vizija je prvo nala primjenu u sistemima prepoznavanja znakova, biolokog materijala i u prepoznavanju razliitih objekata vojne namjene.Daljem razvoju vjetake vizije svakako su doprinijeli razvoj raunara i robotike. Svoju primjenu ovi senzori nalaze u kontroli kvaliteta proizvoda. Kad kaemo kontrola kvaliteta, tu se misli na kontrolu dimenzija (oblika) predmeta. To se posebno odraava u automobilskoj, tekstilnoj, prehrambenoj i metalsko-preraivakoj industriji. Proizvodi koji odstupaju od tolerancija skidaju se s trake. Da bi se izbjegli odreeni problemi, bilo da se radi o nedostatku nekog dijela, stavljaju se dvije kamere pod uglom od 90 ili 180 stepeni.

Slika 2.4.3.1 Kontrola dimenzija objekta na slici

Kontrola dimenzija predmeta se vri kamerama 1 i 2. Kad imamo sluaj da dimenzije odstupaju od referentnih, signalizira se izvrnom ureaju koji je najee solenoid, pa se onda predmet udaljava sa trake. Kamerama 3 i 4 se vri kontrola povrinskih oteenja i to na taj nain da se dobijena slika uporeuje sa referentnom.Ovo je samo jedan primjer primjene senzora vizije. Senzori vizije imaju svoju primjenu i kod kontrole razliitih otvora, identifikacije predmeta itd.Ovi senzori su nali primjenu i kod mobilnih robota. Mobilni roboti se mogu kretati po odreenim povrinama u prostoru. Kakvo je to kretanje zavisi od naina voenja mobilnog robota. To voenje moe biti po unaprijed zadanom programu i pomou senzora.Naravno, mobilni robot pri kretanju mora posjedovati, informacije o okolini u kojoj se kree, slika 2.4.3.2. Slika 2.4.3.2 Senzori vizije kod mobilnog robota

2.4.4 3D - senzori vizije

Za trodimenzinalnu viziju potrebno je izmjeriti udaljenost izmeu senzora i svake take scene. Za ostvarenje trodimenzinalne vizije postoji nekoliko razliitih metoda. Jedna od metoda je tzv. triangulaciona. Triangulacija predstavlja mjerenje rastojanja na osnovu tri take koje ine vrhove trougla. Triangulacija moe biti pasivna i aktivna to zavisi od toga da li se kamera kree ili ne. Na slici 2.4.4.1 je prikazan triangulacija:

Slika 2.4.4.1 Triangulacija a) pasivna, b) aktivna

Take T1 i T2 su fiksne i poznato je rastojanje izmeu njih. Pomona veliina h se moe izraunati na dva naina: Izjednaavanjem desnih strana dobijemo da je:

Slino moemo dobiti i vrijednost udaljenosti od druge triangulacione take:

Tipian primjer triangulacije i strukturnog svjetla je kod automatskog zavarivanja, slika 2.4.4.2. Na osnovu programa upravljaka jedinica dolazi do podataka potrebnih za servovoenje robota, kao i za proraun utroka materijala potrebnog za zavarivanje. Slika 2.4.4.2 Automatsko zavarivanje robotom

Uspostavlja se korespondencija izmeu slike na senzoru i dimenzija ava. Sve slike ava se memoriu pomou odgovarajueg podprograma. Za vee dimenzije ava potrebno je ee uzorkovanje i procesuiranje. Kameru i laser nosi manipulator.Princip skeniranja pomou laserskog zraka se svodi na odreivanje udaljenosti izmeu lasera i objekta. Danas se najvie primjenjuju sistemi sa autosinhronizacijom koji sadre piramidalna ogledala, gdje jedna strana slui za detekciju lasera a druga za njegovo projektovanje.Kao to je prikazano na slici 2.4.4.3, tu imamo piramidalno ogledalo na koje pada laserski zrak. Ogledalo se rotira konstantnom ugaonom brzinom . Sa piramidalnog ogledala zrak se reflektuje na fiksno ogledalo A, a potom na rotirajue ogledalo B. Na kraju se zrak preko fiksnog ogledala C reflektira do kamere kao senzora. Slika 2.4.4.3 Trodimenzionalni senzor sa autosinhronizacijskim skeniranjem objekta

Pomou piramidalnog ogledala se vri skeniranje du ose x, a uzdu ose y skeniranje se postie rotacijom ogledala B. Rotacija ogledala B se postie pomou koranog motora. Samim tim dobijemo sliku sastavljenu iz uzdunih i poprenih linija. Na taj nain imamo skeniranu sliku koja predstavlja reljefnu sliku scene. Poveanje rezolucije skenirane slike se postie smanjenjem ugaonog koraka rotacije ogledala B.Skeniranje je danas est sluaj senzoriranja 3D objekata. Posebno se skeneri nove konstrukcije primjenjuju kod detekcije 3D objekata. Ovi nam senzori omoguavaju kontrolu kvaliteta i dimenzija zadatog predmeta. Osim kontrole kvaliteta i dimenzija, nalaze uveliko primjenu i u drugim situacijama. To se odnosi prije svega na orjentaciju, nailaenje na prepreke kao i upoznavanje okolia. Danas se za skeniranje koriste laserski i ultrazvuni skeneri. Primjenom senzora ovakve izvedbe nastoji se dobiti to bolja prostorna slika, odnosno ovakvom izvedbom senzora dobijamo tzv. tehniko oko.

ZAKLJUAK:

Senzori vanjskog stanja su od posebnog znaaja za robotiku. S obzirom da roboti predstavljaju kopiju ovjeka, senzori predstavljaju kopiju ovjekovih najkompleksnijih osjetila: oka, optikog nerva i modanih funkcija. Razvoj vanjskih senzora iz dana u dan je sve ubrzaniji, naroito optikih senzora, jedan od razloga je taj to vojska finansira razvoj ovih senzora koji su od posebnog znaaja za nju. Roboti s umjetnom inteligencijom jo su budunost, a trebali bi zamijeniti ovjeka u nepovoljnim uvjetima npr: na dnu okeana, u svemiru, u ozraenoj okolini itd. Usporedo s razvojem ovakvih robota, razvijaju se i senzori, od kojih i senzori vanjskog stanja.

LITERATURA:

Vlatko Doleek i Isak Karabegovi: UNIVERZITETSKA KNJIGA ROBOTIKA, Tehniki fakultet, Biha, 2002.Mladen Popovi: SENZORI U ROBOTICI, Via Elektrotehnika kola, Beograd, 1996.Alan Topi: Nastavni program predmeta/kursa: TRANSPORTNI SISTEMI II, Mainski fakultet, Tuzla, 2012.

POPIS SLIKA:

Slika 1.0 Podjela senzora u robotici 3Slika 2.0 Osnovne grupe senzora vanjskog stanja 4Slika 2.1 Mjerenje kontaktne sile estokomponentnim senzorom na prstu 5Slika 2.1.1 Jednostavni senzor klizanja 6Slika 2.1.2 Senzori bazirani na promjeni otpora : a) konstrukcija sa otpornikim slojem b) sa trakama od polimera 7Slika 2.1.3 Elektromagnetski induktivni taktilni senzor 8Slika 2.1.4.1 Raspored ploastih kondenzatora na prstu 9Slika 2.1.4.2 Kombinovani taktilni senzor na prstu prihvatnice 9Slika 2.2 Mjesta ugradnje senzora sile/momenta 10Slika 2.2.1.1 Mjerna traka i mjesta ugradnje mjernih traka 11Slika 2.2.1.2 Wheastoneov most 11Slika 2.2.2 Cilindrini estokomponentni senzor sile ake 12Slika 2.2.3 Induktivni estokomponentni senzor sile 13

Slika 2.2.4 Senzor sile u zglobu ake : a) izgled senzora, b) primjena senzora 14Slika 2.3 Mjerenje rastojanja ukljuivanja po normama 15Slika 2.3.1.1 Struktura induktivnog senzora blizine 16Slika 2.3.1.2 Konstruktivne izvedbe induktivnih senzora 16Slika 2.3.1.3 Konstrukcioni detalji ugradnje induktivnih senzora: a) direktna ugradnja, b) ugradnja u udubljenju, c) ugradnja u nizu, d) detekcija ugaone brzine, e) detekcija ugaonog ubrzanja. 17Slika 2.3.2 Struktura kapacitivnog senzora 18Slika 2.3.3.1 Struktura ultrazvunog senzora 19Slika 2.3.3.2 Ultrazvuni senzori: a) elektrostatiki, b) pijezoelektrini 19Slika 2.3.3.3 Detekcija ulaza/izlaz 20Slika 2.3.4.1 Optiki senzor kod prepoznavanja predmeta 21Slika 2.3.4.2 Optiki senzor sa produecima od optikih vlakana 21Slika 2.3.4.3 Primjeri ugradnje optikih senzora: a) detekcija ice, b) detekcija broja obrtaja zupanika, c) detekcija visine. 22Slika 2.4 a) Osnovna tri nivoa senzora vizije 23Slika 2.4. b) Slika predmeta (a) sa siluetom (b) i konturom (c) 23Slika 2.4.1.1 Osnovne komponente senzora vizije 24Slika 2.4.1.2 Nain osvjetljenja a) direktna metoda, b) pomou kondenzatora, c) pomou formiranja sjenki. 25Slika 2.4.2 CCD kamere izvedene u obliku niza MOS tranzistora 26Slika 2.4.3.1 Kontrola dimenzija objekta na slici 27Slika 2.4.3.2 Senzori vizije kod mobilnog robota 27Slika 2.4.4.1 Triangulacija a) pasivna, b) aktivna 28Slika 2.4.4.2 Automatsko zavarivanje robotom 29Slika 2.4.4.3 Trodimenzionalni senzor sa autosinhronizacijskim skeniranjem objekta 30

1

12