ПРИМЕНЕНИЕ МЕХАНОЛЮМИНЕСЦЕНТНЫХ ДАТЧИКОВ В ПРОМЫШЛЕННОЙ И ЭКСТРЕМАЛЬНОЙ РОБОТОТЕХНИКЕ

Наибольший интерес для промышленной робототехники представ­ляют механолюминесцентные датчики (МЛД), позволяющие реализовать функцию тактильной чувствительности. Разработке тактильных датчиков (устройств механического ощупывания рабочей зоны и объекта) в робототехнике придается столь же большое значение, как и созданию моделей человеческого зрения. Это направление очувствления роботов многие специалисты считают перспективным. Промышленные роботы выполняют повторяющиеся задачи, такие как машинная погрузка, сборка компонентов изделий и т. п. Без способности осязательного восприятия робот не может эффективно схватывать предметы [1-3].

В первую очередь это касается робототехнических систем, работаю­щих в недетерминированной среде, когда: а) объекты манипулирования отличаются по параметрам (масса, геометрические размеры, шерохова­тость поверхности, материал); б) априорно не известно местоположение объектов манипулирования в рабочей зоне робота; в) случайным является характер очерёдности поступления различных объектов манипулирования в рабочую зону робота; г) параметры объектов манипулирования изменяются в процессе выполнения роботом манипуляционных операций [2, 4].

Для успешного решения поставленных задач робототехническая система должна уметь распознавать объекты и ситуации с помощью тактильных датчиков. Под наиболее актуальной регистрацией ситуации следует понимать проскальзывание объекта между губками схвата робота. Регистрация проскальзывания связана с необходимостью создания роботом сжимающего усилия, соответствующего весу объекта. Это особенно важно для роботов, работающих с объектами разного веса или с объектами, вес которых меняется во время манипуляций. Создание оптимального сжимающего усилия, соответствующего весу и жесткости объекта, позволяет исключить его деформацию и повреждение, а также решить ряд задач, связанных с повышением точности позиционирования или реализации заданной траектории, с распознаванием объектов и сцен, с возможностью выполнения сборочных операций в адаптивном режиме [4].

Варианты конструкций тактильных МЛД показаны на рисунке 1.

Примечание: 1 - контактирующий объект; 2 - защитное покрытие; 3 - слой механолюминофора; 4 - прозрачное покрытие; 5 - светозащитный корпус; 6 - широкоформатный объектив (линза) с углом поля зрения β; 7 - фокон; 8 - ВОЖ; 9 – матричный фотоприемник; 10 - устройство управления; 11 - электрический кабель; 12 – концентратор напряжений с регулярным рельефом поверхности; Ф(t) - пространственно модулированный световой поток.

Рисунок 1. Варианты конструкций распределенных (тактильных) механолюминесцентных датчиков а) с оптическим каналом передачи и б) с электрическим каналом передачи

Здесь при воздействии объекта 1 на поверхность 2 в зоне контакта возникает излучение механолюминофора 3. Преобразование механи­ческой энергии динамического контактного воздействия в энергию оптического излучения происходит прямым образом, без промежуточных преобразований и определяется свойствами люминесцентного материала (сульфида цинка, легированного марганцем ZnS:Mn) [5]. Световое пятно в виде импульса Ф(t) соответствует форме объекта 1 и способно воспро­изводить даже мелкие особенности рельефа поверхности объекта. Предельная пространственная разрешающая способность механо­люминесцентного чувствительного элемента (МЛЧЭ) находится на уровне среднего размера зерна люминофора и составляет 10…20 мкм. Далее пространственно модулированный световой поток Ф(t) регистри­руется матричным фотоприёмником 9 и подаётся на устройство управления 10. В конструкции по варианту (а) используется полностью оптический канал связи, в который входят: широкоформатный объектив 6, фокон 7 и волоконно-оптический жгут (ВОЖ) 8 с регу­лярной укладкой оптических волокон. Такая конструкция обеспечивает лучшую помехоустойчивость к электромагнитным помехам в канале передачи, но она более сложна в изготовлении и требует применения дорогостоящих волоконно-оптических компонентов.

В конструкции по варианту (б) световой сигнал Ф(t) регистрируется непосредственно матричным фотоприёмником 9 с большим углом поля зрения β. Далее электрический сигнал подается на устройство управления 10 по электрическому кабелю 11. Техническая реализации этого варианта проще и дешевле, однако, помехоустойчивость – ниже. Здесь же показано возможное применение концентратора напряжений 12 для повышения чувствительности и формирования в датчике менее высокого пространственного разрешения. Для этого концентратор выполняется в виде упругой и гибкой плёнки, на одной из сторон которой сформированы регулярные неровности, обращённые в сторону механолюминесцентного слоя. Неровности могут быть сформированы в виде выступов концентрических окружностей, а также одинарной или двойной перекрёстной насечки.

Матричные фотоприёмники применяются здесь для регистрации световых полей, распределенных по площади (пространственно-модулированных), и могут входить в состав датчиков с распределенным по площади чувствительным элементом. Осуществляя постоянное сканирование поверхности механолюминесцентного чувствительного элемента, такой фотоприёмник может зарегистрировать величину и положение светящегося участка, а также яркость его свечения и после­довательность высвечивания отдельных участков распределённого чувствительного элемента [6].

Устройство управления по специальному алгоритму обрабатывает сигнал и определяет наличие объекта в захватном устройстве, его форму и размеры, состояние поверхности, факт проскальзывания. Вариант расположения тактильного МЛД на захватном устройстве клещевого типа показан на рисунке 2. На рисунке 3 приведены тактильные образы (световые картины), которые получаются при захвате деталей определённой формы.

Примечание: 1 - захватное устройство; 2 - прозрачная пластина, за которой установлен матричный фотоприёмник; 3 - механолюминесцентное покрытие; 4 – концентратор напряжений; 5 - защитный упругий слой

Рисунок 2. Расположение тактильного механолюминесцентного датчика на захватном устройстве клещевого типа

Общим недостатком конструкций тактильных датчиков показанных на рисунке 1 является их относительно большая высота, необходимая для обеспечения достаточного угла поля зрения β матричного фотоприёмника. Для применения тактильных датчиков в схватах роботов предпочтительно иметь планарные конструкции датчиков, толщина которых не превышала бы нескольких миллиметров.

Рисунок 3. Световые образы в тактильных датчиках захватного устройства с параллельным перемещением губок при захвате различных объектов: а) цилиндра; б) призмы; в) шара

Распределённые механолюминесцентные датчики также могут использоваться для регистрации внешних ударных воздействий на мобильные роботы наземного и воздушного базирования. Сильные механические удары могут привести к выводу робота из строя, поэтому их своевременная регистрация и оценка степени опасности является важной задачей. Схема применения МЛД на мобильном роботе-разведчике показана на рисунке 4.

Примечание: 1 - падающий обломок; 2 - защитный корпус; 3 – механо­люминесцентное покрытие; 4 - матричное фотоприёмное устройство (видеокамера) с углом поля зрения β; 5 – устройство управления; 6 – скоростной индентор (пуля, осколок); 7 – препятствие движению; 8 – электрические кабели.

Рисунок 4. Схема возможного применения распределённых механолюминесцентных датчиков на мобильном роботе-разведчике

Здесь передняя и задняя видеокамеры предназначены для регистрации полей излучения от МЛЧЭ 3, нанесённых соответственно на переднюю и заднюю части защитного корпуса 2. На основе анализа интенсивности и пространственного распределения световых сигналов Ф₁ и Ф₂ устройство управления 5 определяет насколько опасны были воздействия 1, 6 и формирует команды управления движением робота.

В настоящее время большое внимание уделяется разработке мобильных машин с высокой приспособляемостью к движению по сложным траекториям и сложным поверхностям. В этих разработках наибольшее внимание исследователей привлекают машины, использую­щие гибридный способ передвижения - колесно-шагающий. Известно, что основным преимуществом таких аппаратов является сочетание высоких адаптационных возможностей шагающих машин и высокая скорость и устойчивость, а также простота управления, колесных шасси, когда аппарат перемещается по плоской или ровной с малыми неровностями поверхности. Как следствие можно обоснованно считать, что роботы с колесно-шагающими шасси могут найти, например, эффективное применение в задачах экстремальной робототехники.

Для таких роботов можно предложить вариант очувствления колеса при помощи распределённого датчика путём нанесения механо­люминофора на внутреннюю поверхность шины или обода колеса (см. рис. 4). Остающийся неподвижным фотоприёмник 4 будет регистри­ровать световые поля Ф₃, вызванные давлением на шину как при контакте с грунтом во время движения по пересечённой местности, так и при наезде на препятствие 7. Обрабатывая сигналы от всех очувствленных таким способом колёс, устройство управления формирует тактильный образ маршрута движения, что позволяет реализовать функцию движения на ощупь. Такой принцип управления движением был реализован в мобильном роботе «Octopus» [7].

Одним из перспективных направлений развития мехатронных и робототехнических систем является использование в конструкциях деталей и узлов, изготовленных из керамических и композиционных материалов. Это в перспективе позволит создавать агрегаты с адаптивно-деформируемым корпусом, допускающим их функционирование в труднодоступных местах, а также при других неблагоприятных условиях. Одной из особенностей таких изделий будет наличие искусственной нервной системы, объединяющей в единое целое микросенсорные элементы с информационной системой, позволяющей регулировать как основные рабочие процессы, так и аварийные ситуации, обусловленные внезапными помехами и препятствиями. Одной из составляющих такой искусственной нервной системы могут стать миниатюрные механо­люминесцентные чувствительные элементы, нанесенные на торцевые или боковые поверхности оптических волокон [8, 9].

Список литературы:

1. Зенкевич С.Л., Ющенко А.С. Управление роботами. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э. Баумана, 2000. 400 с.
2. Охоцимский Д.Е. Системы очувствления и адаптивные роботы. М.: Машиностроение, 1985. 256 с.
3. Воротников С.А. Информационные устройства робототехнических систем. М.: Изд. МГТУ им. Н.Э.Баумана, 2005. 384 с.
4. Кондратенко Ю.П., Кондратенко В.Ю., Швец Э.А., Шишкин А.С. Адаптивные захватные устройства робототехнических систем. [Электронный ресурс] // Материалы международного научно технического конгресса «Мехатроника и робототехника (МиР 2007)». 2‑5 окт. 2007 г. СПб. URL: http//www.mr.rtc.ru/doc/report/doc01.
5. Татмышевский К.В. Механолюминесцентные сенсорные устройства сосредоточенного и распределенного типа // Мехатроника, автоматизация, управление. 2005. № 2. С. 43-49.
6. Быков Р.Е., Фрайер Р., Иванов К.В. и др. Цифровое преобразование изображений. М.: Горячая линия Телеком, 2003. 228 с.
7. Lauria M., Piguet Y., R. Siegwart. Octopus an autonomous wheeled climbing robot. // Proc. of 5 th Int. Conf. on Climbing and Walking Robots CLAWAR'2002, France, September 2002. Paris. 2002. P.315-322.
8. Красюк Б.А., Семенов О.Г., Шереметьев А.Г. и др. Световодные датчики. М.: Машиностроение, 1990. 256 с.
9. Opto Mechatronic Systems Handbook: Techniques and Applications. Hyungsuck Cho (Ed.). Boca Raton: CRC Press. 2002. 672 p.