He Thong Sensor Trong Robot

Héi tho¶ khoa häc irf

Chủ trì: Lê Quang Long

Néi dung xªmina

HÖ thèng sensor trong robot

Hµ néi 2004

CENTER RESEARCH AND APPLIED SCIECE- IRF Bài viết này nhóm nghiên cứu về robot của IRF muốn đưa tới bạn đọc một số ứng dụng của các dạng sensor trong các dạng Robot. Hy vọng được sự quan tâm và đánh giá từ phía bạn đọc để nhóm phát triển hoàn thiện hơn bài viết của mình Tác giả: Lê Quang Long Mail : lequanglong. irfvn.com Mobile: 0989997138

Néi dung chÝnh KÕt cÊu chung cña mét Robot c«ng nghiÖp. Vai trß cña hÖ thèng sensor trong Robot. Ph©n lo¹i sensor. Sensor vÞ trÝ vËn tèc vµ gia tèc vµ øng dông. Sensor lùc vµ sensor xóc gi¸c vµ øng dông. Sensor tÝn hiÖu gÇn vµ sensor tÝn hiÖu xa.

KÕt cÊu chung cña mét Robot Sensor Sensor ngo¹i tÝn hiÖu néi tÝn hiÖu

HÖ thèng ®iÒu khiÓn Computer HÖ thèng truyÒn dÉn ®éng

Robot Gåm 4 bé phËn chÝnh – Tay m¸y – C¬ cÊu chÊp hµnh – HÖ thèng sensor – HÖ thèng ®iÒu khiÓn

Vai trß cña hÖ thèng sensor Thùc hiÖn viÖc nhËn biÕt vµ biÕn ®æi th«ng tin vÒ ho¹t ®éng cña Robot vµ cña m«i tr­êng ®èi t­ îng mµ Robot phôc vô. C¸c th«ng tin ®Æt tr­íc sensor sÏ ®­îc ®­a vµo hÖ thèng ®iÒu khiÓn, sau khi xö lý b»ng m¸y vi tÝnh råi t¸c ®éng vµo hÖ thèng truyÒn dÉn ®éng cña tay m¸y.

Ph©n lo¹i sensor • Ph©n lo¹i theo ph¹m vi øng

dông Sensor néi tÝn hiÖu (Internal sensor) Sensor lo¹i ngo¹itheo tÝn hiÖu (External • Ph©n d¹ng tÝn hiÖu sensor)

cÇn

nhËn biÕt

•

Sensor lùc Sensor gia tèc trÝ ... Ph©nSensor lo¹i vÞ theo c¸ch

thøc nhËn tÝn

hiÖu Sensor kiÓu cam øng Sensor kiÓu ®iÖn dung Sensor kiÓu ®iÖn trë Sensor kiÓu ®iÖn quang

Sensor néi tÝn hiÖu Sensor néi tÝn hiÖu Lµ lo¹i sensor thu nhËn th«ng tin vÒ vÞ trÝ, vËn tèc, gia tèc, lùc t¸c dông trong c¸c bé phËn quan träng cña Robot. C¸c th«ng tin nµy lµ nhung tÝn hiÖu phan håi phôc vô cho viÖc ®iÒu chØnh tù ®éng c¸c ho¹t ®éng Robot.néi tÝn C¸c lo¹icña sensor •hiÖu Sensor vÞ trÝ kiÓu chiÕt • • • •

¸p Gia tèc kÕ. Sensor vÞ trÝ kiÓu biÕn ¸p. Sensor ®iÖn tõ. Sensor ®iÖn quang.

Sensor ngo¹i tÝn hiÖu Sensor ngo¹i tÝn Lµ lo¹i sensor cung cÊp th«ng tin vÒ ®èi t¸c vµ m«i tr­êng hiÖu

lµm viÖc, phôc vô cho viÖc nhËn d¹ng c¸c vËt xung quanh thùc hiÖn di chuyÓn hoÆc thao t¸c trong kh«ng gian lµm viÖc. ®Ó lµm ®­îc c¸c c«ng viÖc ®ã cÇn cã c¸c lo¹i sensor tÝn hiÖu xa, sensor tÝn hiÖu gÇn, sensor xóc gi¸c vµ sensor “thÞ gi¸c” ... C¸c lo¹i sensor ngo¹i tÝn

hiÖu Sensor xóc gi¸c. Sensor tÝn hiÖu gÇn. - Sensor tõ cam. - Sensor Hall. - Sensor ®iÖn dung. - Sensor siªu

Sensor vÞ trÝ kiÓu chiÕt ¸p Nguyªn lý ho¹t ®éng: ®©y lµ lo¹i sensor vÞ trÝ kiÓu ®iÖn trë thay ®æi theo nguyªn lý chiÕt ¸p rÊt quen thuéc. S¬ ®å nguyªn lý d¹ng c¬ ban vµ d¹ng bè trÝ m¹ch thùc tÕ nh­ hinh vÏ: Quan hÖ gi­a gi¸ trÞ ®iÖn ¸p ®Çu vµo v vµ ®iÖn ¸p ®Çu ra V: v = V.r/R ¦u ®iÓm: gi¸ thµnh thÊp, ®é bÒn sö dông t­¬ng ®èi cao, ®é tuyÕn tÝnh cao. Nh­îc ®iÓm: Lµm viÖc tin cËy víi tèc ®é thÊp, chÊt l­îng chç tiÕp xóc cña bé phËn tr­ît cã øng g©y dông: Lo¹i sensor nµy thÓ nhiÔu vµ giam ®é®­îc øng dông rÊt réng r·i trong x¸c ®Þnh ®é dÞch chuyÓn gãc cña c¸c trôc quay cña robot, nh¹y. tõ ®ã vi ph©n bËc nhÊt ®¹i l­îng dÞch chuyÓn ta ®­îc vËn tèc gãc, vi ph©n bËc hai ®¹i l­îng dÞch chuyÓn ta ®­îc gia tèc gãc.

VËn tèc kÕ Ngµy nay, ph¹m vi sö dông v©n tèc kÕ (tachometer) vµ gia tèc kÕ (accelerometer) trë nªn thu hÑp, th«ng dông h¬n lµ x¸c ®Þnh theo sè gia cña c¸c th«ng tin cam biÕn vÞ trÝ b»ng kü thuËt sè hay kü thuËt vi m¹ch. C¸ch lµm ®ã ®¹t ®éc chÝnh x¸c cao h¬n vµ ngµy cµng rÎ h¬n. Vµ ng­êi ta th­êng dïng c¸c thiÕt bÞ sau ®Ó thùc hiÖn chøc nang cña vËn tèc kÕ: • Ph¸t tèc dßng mét chiÒu. Khi stato ®­îc kÝch tõ t¹o nªn tõ th«ng thi trong c¸c cuén cam trªn stato cã suÊt ®iÖn ®éng tù cam víi gi¸ trÞ trung binh tû lÖ víi gãc quay cña roto. • Ph¸t tèc kh«ng ®ång bé dßng xoay chiÒu: khi dßng xoay chiÒu ch¹y qua cuén d©y s¬ cÊp cña stato thi ®iÖn ¸p trªn c¸c ®Çu d©y cuén thø cÊp cña stato sÏ cã cïng tÇn sè, biªn ®é vµ tû lÖ thuËn víi v©n tèc gãc cña roto. • Ph¸t tèc ®ång bé: Nam ch©m vÜnh cöu trªn stato g©y dßng ®iÖn cam trong cuén d©y cña stato. TÇn sè vµ gi¸ trÞ ®iÖn ¸p cña nã tû lÖ thuËn víi vËn tèc cña roto. • Ph¸t tèc xung: ®Üa quay cã khe r·nh ®¹t tr­íc nguån s¸ng

Sensor vÞ trÝ kiÓu biÕn ¸p Nguyªn lý lµm viÖc: ho¹t ®éng theo nguyªn lý cña mét biÕn ¸p sai ®éng (differential transfomer) lâi tõ chuyÓn ®éng t­ ¬ng ®èi so víi hai cuén d©y cè ®Þnh vµ lµm viÖc thay ®æi S¬ ®å nguyªn lý biÕn ¸p xoay: dßng cam øng gi­a chóng. Roto cã mét cuén d©y, stato cã mét hoÆc mét vµi cuén cam øng ®ång bé. Ur lµ ®iÖn ¸p cÊp vµo Ur = U sinωt Us1, Us2 lµ c¸c ®iÖn ¸p cam øng xuÊt hiÖn trªn c¸c cuén d©y cña stato. Us1 = kUr cosr sin(ωt + ϕ) sin(ωtbé + ®iÖn ϕ) Do sùUbiÕn ®éng ®ång ¸p lµm giam ®é chÝnh x¸c s2 = kU r cosr tÝnh to¸nsèbëi vËy¸p. ng­êi th­êng K lµ hÖ biÕn ϕ lµta ®é lÖch sö dông ph­¬ng ph¸p giai ®iÒu pha. biÕn ®ång bé (Synchronous Demodulation) trªn c¬ së ®èi chiÕu víi tÝn hiÖu chuÈn (kh«ng trïng víi ®iÖn ¸p cÊp vµo) Tõ ®©y ta x¸c ®Þnh ®­îc gãc r vµ sö dông kÕt hîp bé biÕn ¸p xoay víi bé biÕn ®æi ®iÖn tö sè ®Ó n©ng cao ®é chÝnh x¸c.

¦u ®iÓm cña lo¹i nµy: lµm viÖc tin cËy, chÝnh x¸c vµ phï hîp víi dai réng vËn tèc quay. (®Õn 9000 vg/ph – vi kh«ng dïng tiÕp ®iÓm) Khi cã chuyÓn Nh­îc ®iÓm cñata lo¹i nµy: ®ßi hái ®é chÝnh x¸c cao vÒ chÕ t¹o ®éng tÞnh tiÕn vµ l¾p r¸p nªn gi¸ thµnh cao. dïng sensor vÞ trÝ kiÓu biÕn ¸p sai ®éng thay ®æi tuyÕn tÝnh LVDT (linear Variable Differential Transformer): Lo¹i nµy cã s¬ ®å nguyªn lý nh­Bao hinh vÏ bªn bäc xung quanh lâi tõ lµ 1 cuén d©y s¬ cÊp vµ 2 cuén d©y thø cÊp gièng hÖt nhau. Khi dÞch chuyÓn lâi tõ ®é tõ cam t­¬ng hç gi­a cuén d©y s¬ cÊp vµ cuén d©y thø cÊp sÏ biÕn ®æi tuyÕn tÝnh theo ®é dÞch chuyÓn cña nã. øng dông: lo¹i sensor nµy ®­îc dïng chñ yÕu trong c¸c c¬ cÊu n©ng h¹ cña robot. Ngoµi ra nã cßn ®­îc dïng trong c¬ cÊu ®Þnh vÞ quay cña robot SCARA, robot trô, robot cÇu vµ mét sè c¬ cÊu chÊp hµnh kh¸c.

Sensor ®iÖn tõ – maguetic tachometer Nguyªn lý lµm viÖc: Dïng ®Ó ®o vËn tèc hoÆc ®é dÞch chuyÓn. Vµ ho¹t ®éng theo ngytªn lý nh­ s¬ ®å d­íi ®©y. ®Çu ®o 1 gåm cuén d©y cam 2 cuèn xung quanh lâi nam ch©m vÜnh cöu 3. Trªn ®Çu trôc quay 5 g¾n mét ®Üa cã vÊu 4. Khi trôc quay quay k/c¸ch t­¬ng ®èi gi­a ®Ønh vÊu hoÆc nam ch©m vÊu so víi vÞ trÝ lâi nam ch©m lµ kh¸c nhau nªn t¹o ra sù thay ®æi tõ th«ng vµ g©y ra xung ®iÖn ®Çu ra. øng dông: lo¹i sensor nµy ®­îc dïng nhiÒu trong c¸c robot SCARA, Robot trô, Robot cÇu, vµ mét sè lo¹i kh¸c.

Sensor ®iÖn quang Nguyªn lý lµm viÖc: (s¬ ®å) gåm c¸c ®Üa (víi tr­êng hîp quay) hoÆc c¸c th­íc (víi c¸c tr­êng hîp tÞnh tiÕn) cã v¹ch tèi s¸ng ®Òu nhau. Mét bªn ®Æt nguån s¸ng 1, mét bªn ®Æt c¸c quang trë 2. Do thay ®æi vÞ trÝ t­¬ng ®èi cña c¸c phÇn tö cè ®Þnh nªn tÇn sè vµ l­îng ¸nh s¸ng lät vµo quang trë còng thay Ph©n chÝnh: ®æi. hai TÝnlo¹i hiÖu qua bé khuyÕch ®¹i 3 vµ t¹o c¸c xung, tõ ®ã suy ra ®é chuyÓn hoÆc®èi vËn tèc. Sensor m·dÞch ho¸ gi¸ trÞ tuyÖt (absolute encoders) Sensor m· ho¸ gi¸ trÞ sè gia (incremental encoders) Lo¹i thø hai ®­îc dïng phæ biÕn h¬n vi gi¸ thµnh cña nã rÎ h¬n. TÝn hiÖu ®Çu ra cña c¸c lo¹i sensor nµy lµ tÝn hiÖu sè nªn rÊt thuËn tiÖn cho viÖc ghÐp nèi víi m¸y tÝnh ®Ó xö lý tÝn hiÖu mµ kh«ng cÇn bé chuyÓn ®æi A/D nµo ®i kÌm. øng dông: ®­îc dïng nhiÒu trong c¬ cÊu ®o vËn tèc, gia tèc, hay dß ®­êng cña c¸c

Sensor lùc Chñ yÕu dïng ®Ó nhËn biÕt lùc xuÊt hiÖn trong khi l¾p r¸p c¸c chi tiÕt m¸y. ®«i khi ®Ó nhËn tÝn hiÖu lùc trong c¸c khíp Th­êng ®­îc l¾p trong c¸c ®éng. khíp quay, khíp cæ tay, hay trùc tiÕp trªn bµn kÑp.

Sensor xóc gi¸c Dïng ®Ó nhËn c¸c th«ng tin vÒ sù tiÕp xóc cña bµn kÑp víi ®èi t­îng, nh­ng th«ng tin ®ã bao gåm: vÞ trÝ, hinh thï cña ®èi t­îng hoÆc lùc cÇn kÑp ...

Sensor tÝn hiÖu gÇn C«ng dông: Dïng ®Ó x¸c ®Þnh sù cã mÆt cña ®èi t­îng trong ph¹m vi kh«ng gian ngay s¸t bªn chç thao t¸c ®Ó kÑp vËt hoÆc di chuyÓn vßng qua ng¹ic¸c ... Ph©n lo¹i: Sensor lo¹ich­íng nµy gåm nhãm sensor + Sensor tõ cam: ®©y lµ lo¹i sensor ho¹t ®éng theo nguyªn t¾c thay ®æi ®é tõ cam khi thay ®æi cù li gi­a c¸c vËt thÓ kim lo¹i vµ sensor. ®Ó nhËn ®­ îc tÝn hiÖu ra tõ sensor lo¹i nµy cÇn cã sù chuyÓn ®éng t­¬ng ®èi gi­a sensor vµ ®èi t­îng. + Sensor Hall: lµ lo¹i sensor ho¹t ®éng dùa trªn nguyªn t¾c cña øng Hall + Sensor ®iÖn dung: CãhiÖu kha nang ph¸t hiÖn ®­îc tÊt ca c¸c vËt lµ hiÖu øng liªnnh­ hÖláng. ®iÖnNguyªn thÕ gi­a 2 nhËn biÕt c¸c vËt thÓ qua sù thÓ r¾n còng t¾c ®Çu dÉn víithuéc tõ tr­ vµo khoang c¸ch tíi vËt thÓ biÕn d©y ®æidÉn cña hoÆc ®iÖn b¸n dung phô êng. ®ã. + Sensor siªu ©m: Lo¹i nµy vÊn ®Ò vËt liÖu cña vËt thÓ kh«ng anh h­ëng gi ®Õn ®é nh¹y cña sensor.

Giíi thiÖu mét sè lo¹i sensor

Sensor m· ho¸ quang häc (Optical encorder s) g¾n trªn b¸nh xe cña Robot

Giíi thiÖu mét sè robot octopus

(b¹ch tuéc)

KÕt luËn

Thanks and see you again The end

Tµi liÖu tham khao

[1] [2] [3] [4] Hill. [5] -

Kü thuËt Robot. PGS.TS ®µo Van HiÖp. Robot C«ng nghiÖp. PGS.TS ®µo Van HiÖp. Robot C«ng nghiÖp. GS.TSKH NguyÔn ThiÖn Phóc. Robot Builder’s Bonanza. Gordon – McComb. McGraw – www.google.com.vn