Robotické senzory: 7 důležitých faktů, které byste měli vědět

Co jsou to robotické senzory? | Robotika naváděná senzorem

Robot Senzory jsou senzory, které robot používá ke komunikaci se svým prostředím výpočtem fyzických veličin kolem sebe. Senzory pracují na teorii transdukce, která zahrnuje přeměnu energie z jedné formy na druhou a snímaná data jsou zpracovávána řadičem, který umožňuje robotu jednat. Robotické senzory také sledují stav robota spolu s okolní situací.

Jak již bylo zmíněno dříve, snímače robota se používají k hodnocení stavu robota a jeho okolí. Aby bylo možné přijatelné chování, jsou tyto signály přenášeny do řídicí jednotky. Robotické senzory jsou modelovány podle rolí lidských smyslových orgánů. Aby robot pracoval správně, potřebuje spoustu znalostí o svém okolí.

Proč jsou senzory důležité pro roboty?

Robotické snímače mohou mít mechanickou, chemickou nebo elektrickou povahu a každá činnost snímače je založena na principu transdukce, který přenáší energii z jednoho typu na druhý. Senzory robota umožňují robotovi pružně reagovat na své okolí. Roboti vidí a cítí pomocí senzorů, které jim umožní provádět složitější úkoly.

Senzory robotů sledují zdraví robotů a jejich okolí a odesílají elektronické signály do řídicích jednotek robotů. Aby se roboti mohli sami monitorovat, jsou zapotřebí senzory. Aby mohli roboti sledovat své chování, potřebují znalosti o umístění a pohybu svých těl a částí.

Charakteristika senzorů v robotice

Vlastnosti senzorů robota nám pomáhají určit vhodný senzor pro robota v různých situacích. Níže jsou popsány některé základní atributy robotických senzorů:

Přesnost

Přesnost senzoru se vztahuje k blízkosti zaznamenané hodnoty senzoru ke skutečné hodnotě. To je často vyjádřeno jako rozsah hodnot. Například +/- 1 mm. Když se podíváme na sekci kalibrace níže, můžeme často zvýšit přesnost robotických senzorů. Přesnost tedy znamená rozdíl mezi výstupem snímače a skutečnou hodnotou, tj. Chyba = měřená hodnota - skutečná hodnota.

Cejchování

Přesnost a rozlišení robotických senzorů lze také zlepšit jeho kalibrací. Samostatná část byla věnována řešení. Kalibrace je metoda porovnání výkonu snímače s některými známými veličinami, kterou může provést prodejce nebo vy, a tyto informace lze dále využít k vytvoření rovnice, která spojuje tyto dvě hodnoty.

Tato rovnice bude při zpracování dat snímače poskytovat lepší výsledky než výchozí hodnoty. Musíte také pochopit, kdy dojde k přetížení senzoru (když jdete nad nebo pod hranici toho, co může měřit) a data se stanou méně spolehlivými nebo nesmyslnými.

Rozlišení

Je zásadní vědět, jak malý z přírůstku mohou senzory robota detekovat, dokud nebudeme vědět, jak přesný je. Například teplotní senzor s rozlišením 5 stupňů nedokáže rozlišit mezi 30 a 32 stupni. Výsledkem je, že rozlišení se týká nejmenšího rozsahu změny na vstupu, který senzor dokáže detekovat a spolehlivě označit. Např. Jaké je rozlišení běžného pravítka nebo měřítka Vernier Calipers?

Linearita

Ať už je výkon senzorů robota lineární nebo ne, tyto informace se stanou užitečnými při napájení výstupu senzoru do nízkoúrovňového počítače, který nedokáže provést mnoho výpočtů a navrhne kalibrační rovnici. Kalibrační křivka určuje linearitu. Za statických podmínek vykresluje pevná referenční křivka amplitudu o / p proti amplitudě i / p a podobnost s přímkou ​​nebo linearitou.

Opakovatelnost

Kritickým rysem robotických senzorů je, že by měl poskytovat stejný výsledek pokaždé, když měříte stejné podmínky. Tím je zajištěna opakovatelnost senzorů.

Mrtvé pásmo a hystereze

V mechanických systémech, jako jsou roboti, způsobují některé poklesy v rychlostních stupních vždy jinou hodnotu v závislosti na směru pohybu (hysterezi) nebo mrtvé pásmo, když senzory robota nezjistí žádný pohyb.

Drift

Výpočet konkrétních robotických senzorů má vlastní drift. To platí zejména pro rychlostní gyroskopy. Budete chtít model s nízkým driftem (čím nižší drift, tím více to stojí), stejně jako schopnost filtrovat výstup senzorů. Například robot stojí; rozumí se, že se snímač neotáčí, takže můžete gyroskop ignorovat a dělat fantastické věci, jako je ignorovat snímač a / nebo určit rychlosti driftu a použít je ke zvýšení výkonu snímače.

teplota

Teplota má dvě složky, které zohledňují charakteristiky senzorů robota. První je schopnost udržovat regulaci teploty. Běžným problémem u mnoha senzorů je, zda se hodnota senzoru mění nebo mění podle změny teploty nebo ne. K dispozici jsou také dvě sekce druhé specifikace teploty:

1. Použitelná teplota - Jaký je minimální a maximální teplotní rozsah snímače?
2. Skladovací teplota - Jaká je nejnižší / nejvyšší teplota, kterou mohou senzory být, dokud nejsou poškozeny?

Zorné pole (FOV)

FOV (Field of View) je kritická specifikace, která udává, jakou oblast (obvykle úhlovou) mohou robotické senzory vidět. Horizontální (hFOV) a vertikální (vFOV) komponenty jsou často zmiňovány. Například 70 × 30 stupňů představuje hFOV x vFOV.

Velikost spotu

Jedná se hlavně o lasery, ale vědět, jak velká je velikost místa v dané vzdálenosti, je významná (místo se zvětšuje s prostorem). Tato velikost bodu je rozhodující pro rozhodování o velikosti položek, které lze vidět skrz. Pro vidění v prachu, dešti a sněhu je nezbytná malá velikost místa. K vyjádření lze použít horizontální i vertikální bodovou stupnici. Je běžné, že výrobce robotických senzorů zveřejňuje pouze jednu ze dvou hodnot, protože druhá je větší.

Výstupní formulář

Je třeba pochopit výstupní formu snímače. Například pro analogový výstup možná budete chtít vědět, jaký je rozsah napětí nebo odporu. Pokud je výroba ve vyšší fázi, ujistěte se, že máte odpovídající vstup. 4-20 mA, napětí, USB, ethernet, sériový port a CAN jsou všechny běžné typy výstupu. Pamatujte, že gigabitové ethernetové kamery často používají paket jumbo (velká MTU), který není kompatibilní s bezdrátovými standardy 802.11 a vyžaduje kabelové připojení.

Power

Abyste správně napájeli systém, musíte vědět, kolik energie robotické senzory spotřebovávají a jaký rozsah napětí může přijmout. Některé senzory robotů budou mít široký rozsah, zatímco jiné budou potřebovat pouze jedno DC-DC pro přísně řízené vstupní napětí.

Spolehlivost

Spolehlivost je složitý parametr, který se má vyhodnotit u robotických senzorů. Spolehlivost ovlivňuje několik faktorů. Je program dobře vyvinutý a robustní? Je senzor robustní z hlediska fyzické síly? Je to dobře postavené? Existuje nějaká elektrická bezpečnost (ochranné diody, pojistky atd.)? Jsou konektory v dobrém stavu? Vypadnou konektory? Je odolný vůči vodě? Má prachotěsné těsnění? Seznam takových otázek nemůže nikdy selhat.

Jak jsou senzory klasifikovány? | Typy robotických senzorů

Proprioceptivní a exteroceptivní senzory v robotice

Primární klasifikace robotických senzorů se provádí na základě umístění stimulů

Proprioceptivní senzory | Interní senzory v robotice

Proprioceptivní (PC) senzory poskytují robotovi pocit sebe sama. Vypočítávají vnitřní hodnoty robotického systému, jako je úhel kloubu, poloha kola, stav baterie atd.

Exteroceptivní senzory | Externí snímače v robotice

Senzory, které poskytují znalosti o vnějším stavu, jako jsou pozorování prostředí a jeho objektů, jsou známé jako exteroceptivní (EC).

Aktivní a pasivní snímače v robotice

Další soubor klasifikace je založen na způsobu rozptylu energie -

Aktivní snímače v robotice

Aktivní senzory, jako jsou radarové senzory, pracují vyzařováním záření (A).

Pasivní snímače v robotice

Pasivní senzory jsou senzory, které pasivně získávají energii, například kamera (P).

Různé typy senzorů používaných v robotech | Robotické senzory a převodníky

Některé ze standardních robotických senzorů lze rozdělit na proprioceptivní a exteroceptivní a aktivní a pasivní, jak je uvedeno v následující tabulce:

Jak roboti používají senzory? | Jaké problémy mohou roboty vyřešit pomocí senzorů ?

Aplikace senzorů v robotice

Na rozdíl od lidí a zvířat robotům chybí přirozeně se vyskytující smysly. Inženýři je budou muset vyvinout jako senzory pro roboty. Roboti pomocí senzorů vytvářejí pohled na svět, ve kterém se nacházejí. LIDAR je příkladem senzoru používaného v některých robotech (Light Detection And Ranging).

LiDAR je zařízení pro měření vzdálenosti, které využívá laser. Lasery osvětlují objekty v atmosféře a poté je zrcadlí zpět. Robot používá tyto odrazy k vytvoření mapy svého okolí. LiDAR říká robotům, co se děje v jejich prostředí a kde to je.

Jaké senzory se používají v robotech?

Typy obrazových senzorů používaných v robotice | Vizuální senzory Robotics

Kamerové senzory používají obrázky k hodnocení přítomnosti, orientace a přesnosti blízkých objektů. Pořizování a zpracování obrazu jsou kombinovány v kamerových senzorech a vícebodové kontroly lze provádět pouze s jedním senzorem. Data jsou také vyměňována mezi videokamerou a počítačovou procesorovou jednotkou prostřednictvím senzorů vidění. Monochromatické a barevné senzory vidění jsou dvě formy senzorů vidění.

Fotoaparáty jsou nezbytné pro to, aby roboti procházeli prostředím a vyhýbali se kolizím s blízkými objekty, protože jsou to senzory, které snímají a analyzují data. 2D zobrazování, 3D snímání, ultrazvuk a infračervené záření - to vše jsou příklady kamerové technologie.

2D zobrazování

Digitální fotoaparáty svým vzhledem připomínají filmové fotoaparáty, ale vycházejí z velmi odlišných vědeckých konceptů. Digitální fotoaparát, na rozdíl od televize, který vytváří obrazy po pixelech, zachycuje foton a převádí je na elektrický signál, který lze zpracovat jako číslo. CCD a CMOS jsou dva typy dvourozměrných digitálních fotoaparátů.

3D snímání

3D snímání je efektivní nástroj pro navigaci robota, protože poskytuje údaje o objemu, tvaru, umístění, orientaci a vzdálenosti objektu. Různé procesy, jako je stereofonní vidění, organizované světlo a laserová triangulace, mohou vytvářet 3D data.

Ultrazvuková

Ultrazvukové kamery, známé také jako sonarové kamery, počítají časovou prodlevu mezi přenosem a detekcí zvukové vlny k určení vzdálenosti mezi fotoaparátem a objektem. Jiné ultrazvukové senzory nebo roboty nesoucí ultrazvukové senzory mohou být také detekovány pomocí ultrazvukových kamer.

Robot infračerveného senzoru

Infračervené robotické senzory detekují infračervené (IR) paprsky vyzařované objektem. Mohou také použít IR světlo k promítání směrem k cílovému objektu a přijímat odražené světlo k určení jeho vzdálenosti nebo blízkosti. Infračervené senzory jsou nákladově efektivní a mohou sledovat infračervené světlo v širokém okolí. Pracují také v reálném čase. Jsou lepší než ultrazvukové senzory v popisu okraje objektu a v rozlišování jedné věci od druhé.

IR senzor pracující v řadě sledovacího robota

Robotické navigační senzory

V optické nebo optické navigaci se pro extrakci vizuálních prvků potřebných pro lokalizaci v okolním světě používá algoritmus počítačového vidění a optické roboty, jako jsou laserové dálkoměry a fotometrické kamery s CCD poli. další varianty navigačního systému založeného na vidění a lokalizační techniky. Níže jsou uvedeny důležité součásti každé metody:

• Reprezentace přírodního světa
• Modely pro snímání
• Algoritmy pro lokalizaci

Nejjednodušší způsob, jak přimět robota, aby šel na konkrétní místo, je jednoduše jej nasměrovat. Toho lze dosáhnout různými způsoby, včetně zakopání indukční smyčky nebo magnetů do podlahy, kreslení čar na podlahu nebo vkládání majáků, značek nebo čárových kódů do prostředí. V průmyslových scénářích se tato automatizovaná asistovaná vozidla (AGV) používají k přepravním úkolům. Roboti se mohou pohybovat uvnitř pomocí vnitřních pozičních systémů založených na IMU.

Byly také vyvinuty navigační systémy založené na sonaru. Roboti mohou také k určení své polohy použít radionavigaci. Palubní letový ovladač využíval GPS pro navigaci a stabilizaci a pro měření se často používají satelitní augmentační systémy (SBAS) a snímače výšky, jako jsou snímače barometrického tlaku, a v některých palubních robotických navigačních systémech se používají inerciální snímače. Podvodní akustické polohovací systémy mohou řídit autonomní podvodní vozidla.

Senzory síly v robotice

Senzor síly robotického ramene

Senzory síly se používají k snímání sil mezi základnou senzoru a snímací vrstvou. Senzory FT nebo snímače síly a točivého momentu snímají síly i momenty. Obvykle jsou namontovány těsně před koncový efektor na robotické rameno. Senzory lze použít v široké škále aplikací a existují levné analogové senzory tlaku až po nejoblíbenější 6osé snímače FT.

Jelikož se nejedná o dotykové senzory, nelze je použít k detekci klouzavých sil. Lze je však použít k detekci energie. Vzhledem k různým dostupným snímačům síly, jak jsou uvedeny níže, může být rozhodování o tom, které z nich potřebujete, obtížné.

• Jednoduchý snímač tlaku.
• Piezoelektrický snímač.
• Snímač založený na tenzometru.
• Kapacitní FT senzory.
• Kapacitní a odporové pružné snímače síly.

Teplotní senzor v robotice

Teplotní senzory se používají k detekci změn okolní teploty a je založen na myšlence, že změna napětí by měla pro změnu teploty stejnou hodnotu teploty jako okolní prostředí. TMP35, TMP37, LM34, LM35 a další jsou některé z nejčastěji používaných integrovaných obvodů teplotních senzorů.

Jaké senzory má průmyslový robot?

2D vizuální senzory, 3D vizuální senzory, snímače síly nebo krouticího momentu a senzory detekce kolizí jsou nejpoužívanějšími senzory pro průmyslové roboty. Některé z nich jsou vysvětleny takto:

2D kamerový senzor

Dvourozměrné kamerový senzor je kamera, která dokáže mimo jiné sledovat pohybující se objekty a lokalizovat kusy na běžícím pásu. Je schopen detekovat a pomáhat robotovi při určování jejich polohy a robot pak může odpovídajícím způsobem změnit svůj pohyb na základě získaných informací.

3D kamerový senzor

Aby bylo možné snímat třetí dimenzi objektu, musí mít 3D obrazové zařízení dvě kamery nebo laserové skenery v různých úhlech. Vybírání a umisťování dílů například vyžaduje použití technologie 3D vidění k identifikaci objektů a vytváření 3D obrazů, jakož i analýzu a výběr nejlepšího procesu vychystávání.

Senzor síly | Senzory točivého momentu v robotice

Pokud vizuální senzor poskytuje robotovi oči, snímač síly / momentu poskytuje robotovi pocit dotyku. Síla koncového efektoru je snímána robotem pomocí snímačů síly / momentu. Ve většině situací je snímač síly / krouticího momentu umístěn mezi robotem a přípravkem, což robotovi umožňuje sledovat všechny síly přiváděné zpět do přípravku.

Senzor detekce kolize

Tento senzor je k dispozici v různých tvarech a velikostech a jeho primárním účelem je poskytovat bezpečné pracovní prostředí pro operátory, které spolupracující roboti nejvíce potřebují.

Jaké senzory mají asistenční roboty?

Asistenční robot je počítač, který dokáže cítit, zpracovávat a provádět úkony v každodenním životě lidí se zdravotním postižením a starších dospělých. Nejoblíbenějším využitím robotických senzorů je použití ultrazvukového sonaru na pomoc nevidomým. Po celá léta používali roboti ultrazvukové sonary jako měřicí systém.

Senzor dosahu v robotice | Robot snímače přiblížení

Senzory dosahu se používají k určení vzdálenosti mezi objektem a stranou robota. Jeho provozní dosah je omezený. K výpočtu vzdálenosti se používá vizuální zpracování. Roboti používají senzory dosahu k navigaci a vyhýbání se překážkám, které jim stojí v cestě. Speciálními aplikacemi pro snímače vzdálenosti jsou určování polohy a obecných tvarových charakteristik součásti v pracovní obálce robota. Zdrojem osvětlení v těchto situacích může být světelný zdroj, laserový paprsek nebo ultrazvuk.

Snímače polohy v robotice

Jakýkoli snímač, který měří polohu objektu pro použití v řídicích aplikacích, se označuje jako snímač polohy. Mají širokou škálu senzory a mají různé aplikace, od robotiky po přístroje MRI. Jedná se o jeden z nejvýkonnějších senzorů a používá se téměř v každém autonomním vozidle, které se pohybuje.

Rotační i lineární pohyb lze měřit pomocí polohových senzorů. Mohou být použity k výpočtu absolutního nebo relativního umístění. Střídavé motory jsou ovládány rotačními senzory, které často sledují úhlové oblasti různých mechanických zařízení v systému. Kodéry motorů jsou senzory používané v robotice ke sledování polohy na kruhovém disku a převádějící polohu na elektrické impulsy, které může řídicí jednotka použít.

Řízení polohy ramene robota

Šest jednotlivých servomotorů je schopných pohybovat každým kloubem v typickém šestiosém robotu. Pro udržení polohy se na zadní straně těchto servomotorů používá enkodér motoru. Aby bylo možné sledovat otáčky produkované servomotorem, používá kodér motoru výřezy na disku. Tyto výřezy produkují světelné impulsy, které jsou poté převedeny na elektrické impulsy.

Optický snímač polohy v robotice

Optické senzory se používají ke sledování, počítání a polohování dílů bez jakéhokoli dotyku. K dispozici jsou interní nebo externí optické senzory. Interní senzory se obvykle používají k měření ohybů a jiných jemných změn směru, zatímco externí senzory shromažďují a přenášejí určité množství světla.

Senzory rychlosti v robotice

Snímač rychlosti nebo rychlosti provádí v pravidelných intervalech několik měření polohy a vypočítává rychlost změny hodnot polohy v průběhu času. Jedním ze základních snímačů rychlosti používaných v robotice je tachometr.

Otáčkoměr

Tachometr je jedním z nejdůležitějších zařízení pro poskytování zpětné vazby rychlosti. Používá se také jako otáčkoměr a otáčkoměr. V motoru se pro měření rychlosti otáčení hřídele používá otáčkoměr. V analogové jednotce je výstup zobrazen jako RPM (otáčky za minutu).

Senzory zrychlení v robotice

Zrychlení a náklon se měří pomocí senzoru zrychlení, zařízení, které měří zrychlení, se nazývá akcelerometr. Static Force a Dynamic Force jsou dva typy sil, které ovlivňují akcelerometr.

• Statická síla Je to třecí síla, která existuje mezi dvěma věcmi. Můžeme vypočítat, nakolik se robot naklání, výpočtem gravitační síly. Tento výpočet pomáhá vyrovnat robota nebo rozhodnout, zda se pohybuje do kopce nebo na rovném povrchu.
• Dynamická síla Odkazuje na množství síly potřebné k pohybu objektu. Rychlost / rychlost robota lze určit měřením dynamické síly pomocí akcelerometru.

Robotické vysavače

Robotické vysavače používají různé senzory k detekci překážek a ke sledování jejich pokroku a objevování nových oblastí, které je třeba prozkoumat, a tyto senzory robotického vysavače spouštějí naprogramované reakce, které rozhodují o tom, jak by měl robot reagovat, pokud čelí nějakým překážkám.

Senzory překážek

Chcete-li pracovat v domácím prostředí, existují různé překážky, jako jsou nohy židlí a stolů, pohovky, jiné stojany pro domácí spotřebiče a toulavé hračky atd. Senzory vysavače instalované v náraznících absorbujících náraz umožňují, aby tyto překážky efektivně navigovaly bez zpomalení dolů a tento senzor se aktivuje, když nárazník narazí na bariéru, a robot dostane automaticky pokyn, aby se otočil a odešel.

Cliff senzory

Schody jsou možná nejnebezpečnější překážkou robotických vysavačů; Pád by mohl poškodit vakuum stejně jako cokoli v cestě. Výsledkem je, že všechny robotické vysavače musí mít jako bezpečnostní prvek senzory útesu. Používají infračervené signály k nepřetržitému výpočtu vzdálenosti k povrchu podlahy.

Nástěnné senzory

Ve skutečnosti jim pomáhají při detekci stěn pomocí infračerveného světla, aby je mohli sledovat. To jim umožňuje vyčistit okraje stěny, kde se setkává s podlahou. Nejlepší na tom je, že to mohou dělat bez odírání zdi, jak to někdy děláme se standupovými vysavači.

Senzory kol

Rotace kola robotického vakua se měří pomocí světelných senzorů. Pomocí tohoto čísla a obvodu kola odhadne, jak daleko urazil.

Co je dotykový senzor v robotice?

Dotykový senzor používaný v robotice se také nazývá hmatový senzor. Chcete-li se o tom dozvědět více, klikněte zde.

Senzory používané při robotickém svařování

Dozvědět se o robotických senzorech používaných při robotickém svařování klikněte zde.

Robotika fúze senzorů

Mnoho průmyslových odvětví a prostředí zaznamenává nárůst poptávky po rigidních víceúčelových robotech, které lze snadno nastavit. U robotů jsou nyní zapotřebí senzory pro kontextové povědomí a intuitivní rozhraní pro snadné použití. Některé aplikace například mohou pomocí manipulace s fyzickým zařízením používat rozpoznávání gest.

Ochrana IoT, nízká spotřeba energie, bezpečnost a spolehlivost jsou zároveň přísné požadavky. To často vyžaduje použití senzorů ke sledování elektrického proudu, teploty a dalších proměnných, aby bylo zajištěno, že systém funguje efektivně a bezpečně. V blízké budoucnosti robotika zvýší počet motorů a univerzálnost prostředí a celosvětově se objeví více spolupracujících robotů. Počet senzorů používaných roboty se zvýší, jakmile bude navrženo více řídicích systémů a nastavení.

Také čtení:

• Důležitá aplikace senzoru vířivých proudů
• Aplikace kritérií návrhu hmatového senzoru
• Ir senzory
• Pir senzor
• Snímač plamene
• Barevný senzor

Esha Chakraborty

Mám vzdělání v Aerospace Engineering, v současné době pracuji na aplikaci robotiky v obranném a vesmírném průmyslu. Neustále se učím a moje vášeň pro výtvarné umění mě udržuje nakloněnou k navrhování nových inženýrských konceptů.
S tím, že roboti v budoucnu nahradí téměř všechny lidské činy, rád svým čtenářům jednoduchým, ale poučným způsobem přiblížím základní aspekty předmětu. Rovněž bych rád udržoval aktuální informace o pokroku v leteckém a kosmickém průmyslu současně.