SENZORISENZORISILA I MOMENATASILA I MOMENATA

http://www.fsb.hr/~zkunica/nastava/pms/ft.pdf

Primjene u industrijskoj proizvodnji i medicini:

robotsko umetanje – verifikacija sklapanja mehaničkih i električkih komponenata

skidanje srha, poliranje, brušenje – potreba za ostvarenjem konstantne sile robotom

povratna veza za silu/moment kod manipulatora u nuklearnim radnim okolinama

biomehanika, fizikalna rehabilitacija i protetika, kirurgija

ispitivanje proizvoda – npr. moment upravljača vozila i automobilskih sjedišta.

2

Tipično, robotsko je gibanje isključivo upravljano preko točaka, na programiranim putanjama, bez razmatranja sila i momenata, koje djeluju na alat ili predmet rada.

Ipak, u mnogim slučajevima, prilagodba ili primjena točno definirane sile od strane robota, ima presudan utjecaj na kvalitetu i robusnost robotske aplikacije:

beztenzijsko pozicioniranje dijelova, npr. u procesu umetanja

sile i momenti mogu se prilagođavati neovisno o poziciji dijela i toleranciji, npr. za lijepljenje i poliranje

na obradak se mogu primjenjivati složeni profili sila tijekom izvršenja programa, npr. robotsko bušenje ili namatanje (roll-hamming)

kompenziranje tolerancija dijela programiranjem aktivne popustljivosti, npr. u zadaćama montaže

osjetljiva detekcija kolizija, npr. za funkcije rukovanja.

3

Proširivanje tradicionalnog područja rada robota s mogućnošću programiranja nominalnih sila i momenata, umjesto samo pozicija i putanja.

Tako postoji mogućnost preklapanje upravljanja gibanjem i preko sila, i preko točaka.

http://www.ati-ia.com/products/ft/applications/amatec.aspx (Schunk)

Primjer 1.

4

Cobot u GM-u...... je gruba ali vrlo manevarabilna naprava.

Pripomaže radniku pri skidanju vrata s upravo obojadisane karoserije, a prije sklapanja kabine.

http://othello.mech.northwestern.edu/~peshkin/pubs/2001_CobotArchitecture.pdf

Razlog odabira zadatka:Radnik teško i dugotrajno demontira vrata bez oštećenja površina: zakrivljenost i izvedba stranica karoserije su takvi da je potrebna posebna putanja demontaže kako bi se vrata demontirala sigurno.

Ljudska svestranost i okretnost su i nadalje veoma važni u drugim fazama rada; to nije zadatak koji bi se trebao u potpunosti automatizirati.

Primjer 2.

5

Cobot “skidač-vrata” lako kliže na servo-upravljanim kotačima, a radnik primjenjuje silu ne veću od nekoliko desetaka N.

U nekim fazama radnik kontrolira poziciju, a cobot kontrolira orijentaciju, poravnavajući se s karoserijom ili pak s nosačem vrata izvan staze (transportne linije).

U fazi bliskog pristupa, kreira se virtualna ploha blizu nosača karoserije, vodeći cobot prema ispravnoj lokaciji hvatanja vrata bez sraza s montiranim vozilom.

Izlazna trajektorija izvodi se u “putanjskom” načinu rada. Po prelasku staze, cobot je u slobodnom načinu rada, prepuštajući operatoru izravnu i intuitivnu kontrolu translacije i orijentacije.

6

Primjer 3.

DAQ F/T (Data AcQuisition device - Uređaj za prikupljanje podataka)

Multi-Axis Force/Torque Sensor System

Osjetilni sustav višeosnih sila i momenata

PC

Data Acquisition kartica (National Instruments – hw & sw) ili USB (ili PCMCIA (staro))

ATI sw

napajanje

robot

ATI Transducer

transducer = četveropol, davalac, magnetsko pojačalo, mjerni pretvarač7

Pretvarač je kompaktna, grubo obrađena monolitna struktura (izrađena od jednog komada metala), koja pretvara sile i momente u analogne deformacijske mjerne signale.

Pretvarač se uobičajeno koristi kao senzor šake, montiran između robota i hvataljke.

Slika prikazuje pretvarač sa standardnom alatnom prirubnicom (ISO 9409-1).

8

9

Zaštita od preopterećenja: čvrsti materijali i kvalitetni silikonski deformacijski mjerni pretvornici.

Neki modeli koriste otvrdnjeni nehrđajući čelik čvrstoće dvostruko veće od titanove.

Često se uz pretvarač montira i posebna naprava za zaštitu od preopterećenja – tzv. crash protector (zaštitni sklop).

10

Način radaNačin rada

F/T sustav sadrži tri komponente: mehaničku, električku i upravljački softver.

Pretvarač reagira na primijenjene sile i momente na osnovi Newtonovog trećeg zakona gibanja:

Svakoj akciji uvijek je suprotstavljena reakcija jednake veličine i obrnutog smjera; ili,djelovanje dvaju tijela jedno na drugo uvijek je jednako, i suprotnih smjerova.

11

Sila primijenjena na pretvarač savija tri simetrično smještena kraka, na osnovi Hookeovog zakona: σ = E·ε

σ – naprezanje kraka (σ je srazmjerno sili)Ε – modul elastičnosti krakaε – relativna deformacija kraka.

Vektor sile i momenta na pretvaraču

12

Poluvodički mjerni pretvornici relativne deformacije, pričvršćeni su na kracima, i razmatraju se kao otpornici osjetljivi na (relativnu) deformaciju.

Otpor mjernih pretvornika mijenja se kao funkcija naprezanja, kako slijedi:

ΔR = Sa·Ro·ε

pri čemu su:ΔR – promjena otpora mjernih pretvornikaSa – mjerni faktor mjernih pretvornikaRo – otpor nedeformiranog mjernog pretvornikaε – relativna deformacija.

13

Elektronika i povezivanje

14

ATI DAQFT Automation Server

Windows® ActiveX komponenta, koja:- čita kalibracijske datoteke,- konfigurira pretvarački sustav,- prevodi “sirove” napone sa sustava prikupljanja podataka u sile i momente.

ATIDAQFT može se koristiti u razvojnim platformama koje podržavaju ActiveX ili Automation sadržaje, uključujući Microsoft Visual Basic 6.0, Microsoft Visual C++, Microsoft.NET Platform, National Instruments LabVIEW, i mnoge druge.

15

Izračunati očekivane momente i sileVrijednost momenta je uobičajeno određujući činitelj.

Prihvatnica spojena s pretvaračem, i izvođene zadaće, generirat će sile na pretvaraču, što će rezultirati momentom.

Moment je primijenjena sila (dinamička i statička istodobno) pomnožena udaljenošću od ishodišta pretvarača do hvatišta sile.

Važno je također razmotriti uvjete preopterećenja izvan normalnih radnih sila i momenata koji će djelovati na pretvarač.

Identificirati čvrstoću pretvaračaNaredna tablica prikazuje mjerne raspone pojedinih modela pretvarača.

Kako odabrati F/T pretvarač?

16

† Specifikacije podrazumijevaju standardne spojne ploče (prirubnice).

17

Verifikacija razlučivosti (rezolucije)Zahtjev za finom razlučivosti može biti u neskladu kod pretvarača već odabranog na osnovi vrijednosti momenta. Pretvarači većih raspona razlučivosti imaju grublju razlučivost.

Provjeriti ostale pojedinosti pretvarača

Primjer odabira pretvaračaOčekivani maksimalno mjereno opterećenje (sila) iznosi 98 N. Hvataljka je duga 25 cm. Generirani moment bio bi 24,5 Nm.

Za moment od 24,5 Nm, najbolji F/T senzor bio bi Delta/SI-330-30 (330 N, 30 Nm).

Najveći jednoosni moment (Txy) ovoga modela jest 230 Nm, i trebao bi biti dovoljan za situacije preopterećenja.

18

Napomena

Podaci o dopuštenim opterećenjima robota uobičajeno se odnose na najveća opterećenja pri kojima se postiže specificirana ponovljivost u radu robota.

Roboti zapravo mogu raditi s mnogo većim opterećenjima, ali nauštrb ponovljivosti.

Tijekom sraza, inercija i naglo usporenje mogu generirati velika opterećanja.

U primjenama, roboti su uobičajeno predimenzionirani, i robot je sposoban podnijeti opetrećenje višestruko veće od nominalno danog.

Tako je moguće odabrati pretvarač manjeg nominalnog opterećenja, no uz svijest da to povećava vjerojatnost oštećenja pretvarača tijekom sraza.

19

*Tipične razlučivosti za 16-bitni sustav prikupljanja podataka.

Gamma

20

Rasponi složenih opterećenja F/T senzora

Senzorovi mjerači naprezanja smješteni su optimalno za diobu/razlikovanje podataka između primijenjenih sila i momenata. Zbog te diobe, moguće je zasititi pretvarač složenim opterećenjem, čije su komponente manjih iznosa od onih propisanih za senzor.

Ipak, takav aranžman dopušta veći osjetilni raspon i razlučivost.

Naredni grafovi mogu poslužiti za određivanje mjernog raspona senzora pri složenim opterećenjima. Prvi graf, str. 22, općenito prikazuje kako se radni rasponi mogu mijenjati sa složenim opterećenjem (kombinacije sila u x i/ili y smjeru, s momentom oko z osi.).

Grafovi na str. 23 i 24 sadrže nekoliko različitih kalibracija, naznačenih različitim debljinama linija.

Graf na str. 23 prikazuje kombinacije sila u x i/ili y smjeru, s momentom oko z osi.

Graf na str. 24 predstavlja kombinacije sila u smjeru z osi, s momentima oko x i/ili y osi.

21

Prikaz grafom

Normalno radno područje. Postizanje specificirane točnosti.

Područje zasićenja. Bilo koje opterećenje u ovome području ishodi dojavom o uvjetu zasićenja mjernog pretvornika.

Prošireno radno područje. Senzor korektno radi, ali nije jamčena točnost u cijelome rasponu. 22

Gamma

23

24

ZONG-MING LI, Inter-digit co-ordination and object-digit interaction when holding an object with five digits, ERGONOMICS, 2002, VOL. 45, NO. 6, 425-440.

http://jr3.com/products/products.html

www.ati-ia.com

Literatura

http://www.mark-10.com/about.html

http://www.futek.com/

http://www.dlr.de/rm/DesktopDefault.aspx/tabid-0/httpstatus-404/

http://www.sensortechniques.com/

25

http://titan.fsb.hr/~zkunica/nastava/studentski_radovi/Tomislav_Perkovic_FSB_dipl_2008.pdf