Vorlesung: Angewandte Sensorik
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- Jutta Knopp
- vor 8 Jahren
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Transkript
1 Universität Hamburg AB Technische Aspekte Multimodaler Systeme
2 Inhaltsverzeichnis Kraft-Moment-Sensoren (KMS) KMS-Kalibrierung Kraftregelung KMS: Spacemouse Taktile Sensoren Hall-Effekt Sensoren
3 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Zumeist starre Konstruktionen die kleine Verformungen erlauben. Messung der Verformung mit Dehnungsmessstreifen (DMS). Vorteile: in großem Bereich linear starke Dämpfung schwingt nicht so leicht Nachteile: Temperaturdrift Seite 165
4 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Quelle: ATI Industrial Automation Seite 166
5 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) KMS mit sechs Freiheitsgraden Ein auf ein dehnbares Material applizierter DMS kann die Kraft in eine Richtung messen (siehe: Hooksches Gesetz). Allgemeine KMS mit sechs Freiheitsgraden: Eine spezielle Anordnung von DMS. Messen die Kräfte in alle drei Koordinatenrichtungen (Fx, Fy, Fz). Messen die Drehmomente zu allen drei Koordinatenrichtungen (Mx, My, Mz). Seite 167
6 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Exkurs: Freiheitsgrade engl.: degrees of freedom (DOF) Translation in Richtung der x-, y- oder z Achse eines Koordinatensystems (3 DOF). Rotation um y-, x- oder z-achse eines Koordinatensystems (3 DOF). Beschleunigung in oder um die Koordinatenachsen (6 DOF). KMS z.b. von der Firma JR 3 (12-DOF-KMS) Seite 168
7 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Einsatz von KMS Seite 169
8 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Aufbau von MS Seite 170
9 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Beispiel: Kraft in x-richtung Seite 171
10 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) KMS: Signale Kopplungsfreier Fall, d.h. keine Signale durch Querbelastungen: Kraft/Moment DMS F x W 3, W 7 F y W 1, W 7 F z W 2, W 4, W 6, W 8 M x W 4, W 8 M y W 2, W 6 M z W 1, W 3, W 5, W 7 Seite 172
11 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Kopplungsmatrix (1) F x F y F z M x M y M z = K W 1 W 2 W 3 W 4 W 5 W 6 W 7 W 8 Seite 173
12 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Kopplungsmatrix (2) K = 0 0 k k 17 0 k k k 32 0 k 34 0 k 36 0 k k k 48 0 k k k 61 0 k 63 0 k 65 0 k 67 0 Seite 174
13 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) Kopplungsmatrix (3) Zusammenhang zwischen Signalen der DMS und den Kräften/Momenten über die Kopplungsmatrix K. Vorige Tabelle gilt im kopplungsfreien Fall, in der Realität wirkt sich z.b. eine Kraft in x-richtung auch auf W 1, W 2, W 5 und W 6 aus. Reale Kopplungsmatrizen daher komplizierter. Meist in der Messhardware (z.b. Interface-Karten) integriert und nicht mehr sichtbar. Seite 175
14 Abschnitt: Kraft-Moment-Sensoren (KMS) KMS-Anwendung in der Robotik Überwachte Bewegungen (engl.: guarded motions): Bewegung herkömmlich (fest) programmiert Überschreiten eines bestimmten Kraftwertes Abbruch der Bewegung. Nachgiebige Bewegungen (engl.: compliant motions): Manipulator gibt bei einer äußeren Kraft nach oder: versucht eine bestimmte Kraft aufzubringen erfordert Regelung (PID-, Fuzzy-, Neuro-Regler, o. ä.) Seite 176
15 Abschnitt: KMS-Kalibrierung KMS-Kalibrierung (1) Kalibrierung bedeutet im wesentlichen Ermittlung des Greifereigengewichtes f g (verursacht orientierungsabhängigen Off-Set in den Kräften) des Greiferschwerpunktes (engl.: center of gravity) p COG (verursacht orientierungsabhängigen Off-Set in den Momenten) Seite 177
16 Abschnitt: KMS-Kalibrierung KMS-Kalibrierung (2) Seite 178
17 Abschnitt: KMS-Kalibrierung KMS-Kalibrierung (3) Probleme in der Praxis: KMS rauschen Messwerte müssen i. d. Regel gefiltert werden Tragen einer Last erhöht f g und verschiebt p COG Kalibrierung eigentlich nur für den Lastzustand gültig, in dem sie gemacht wurde DMS sind temperaturabhängig Kalibrierung auch temperaturabhängig Seite 179
18 Abschnitt: Kraftregelung Direkte Kraftregelung Kraftmessung wirkt direkt auf Achsmotoren. Bei kommerziellen Robotern nicht einsetzbar, nicht weiter betrachtet. Seite 180
19 Abschnitt: Kraftregelung Hybride Kraftregelung Kraftmessung wirkt mit Umweg über die Positionsregelung auf die Achsmotoren. Probleme: Reglermodell berücksichtigt nicht die exakte Situation Einstellen der Parameter für den Positionsregler einfach: lineare hybride Regelung über mehrdimensionales Federgesetz s = C 1 F Seite 181
20 Abschnitt: KMS: Spacemouse KMS: Spacemouse (1) Quelle: 3DCONNEXION ( Seite 182
21 Abschnitt: KMS: Spacemouse KMS: Spacemouse (2) Quelle: DLR ( Seite 183
22 Abschnitt: KMS: Spacemouse KMS: Spacemouse (3) alternativer Kraft-Moment-Messung flexible Konstruktion optische Abtastung Vorteil: keine Drift Nachteile: begrenzt linear kann schwingen Software-Dämpfung Seite 184
23 Abschnitt: Taktile Sensoren Taktile Sensoren (1) Besondere Klasse von Kraft- oder Drucksensoren. Meistens sehr schmale Sensoren. Beispiel: Berührungssensoren an Fingerspitzen künstlicher Hände. Andere Anwendungen: Touch-Screen, Tastaturen, Messung der Belastung der Fußsohle beim Laufen, etc. Seite 185
24 Abschnitt: Taktile Sensoren Taktile Sensoren (2) Verschiedene Herstellungsmethoden: Membran-Schalter Piezoelektrische taktile Sensoren kraftsensitive Widerstände Seite 186
25 Abschnitt: Taktile Sensoren Membran-Schalter F +5V 4,7k Ausgabe Multiplexer Seite 187
26 Abschnitt: Taktile Sensoren Piezoelektrische taktile Sensoren (1) Aktive oder passive Sensoren aus PVDF (polyvinylidene fluoride). Beispiel: aktiver ultraschallgekoppelter Berührungssensor drei Schichten (obere und untere Schicht aus PVDF) untere Schicht wird in Schwingung versetzt mittlere Schicht überträgt Schwingung auf obere Schicht Ausgangssignal der oberen Schicht wird mit Eingangssignal verglichen Druck verändert Ausgangssignal Seite 188
27 Abschnitt: Taktile Sensoren Piezoelektrische taktile Sensoren (2) F Verstärker PVFD + - Demodulator PVFD Oszillator Seite 189
28 Abschnitt: Taktile Sensoren Piezoelektrische taktile Sensoren (3) Ausgangssignal in begrenztem Bereich linear zur Kraft. Bei 25 µm PVDF-Filmdicke und 40 µm Gummifilm als zweite Schicht, ist der gesammte Sensor inkl. Schutzschicht schmaler als 200 µm. Durch mehrere Zellen können ganze Flächen erfasst werden. Vorteile: einfacher Sensoraufbau ideal zum Messen statischer Kräfte Seite 190
29 Abschnitt: Taktile Sensoren Kraftsensitive Widerstände (1) Taktile Sensoren können aus einem Material hergestellt werden, das seinen Widerstand abhängig vom aufgebrachten Druck ändert. engl.: force sensitive resistor (FSR) Material: leitende Elastomere oder drucksensitive Tinte Leitende Elastomere werden aus Silikon-Gummi oder Polyurethan gefertigt und mit leitenden Partikeln oder Fasern impregniert. Funktionsweise: Verändern der Kontaktfläche zwischen zwei leitenden Platten. Ändern der Schichtdicke. Seite 191
30 Abschnitt: Taktile Sensoren Kraftsensitive Widerstände (2) F F F Leitende Taster Elastomer Leiterplatte Seite 192
31 Abschnitt: Taktile Sensoren Kraftsensitive Widerstände (3) Widerstand Kraft Sättigung Seite 193
32 Abschnitt: Hall-Effekt Sensoren Hall-Effekt Sensoren Wenn sich ein Elektron durch ein magnetisches Feld bewegt, so wirkt eine Kraft auf das Elektron. F = qvb q: Ladung des Elektrons ( C) v: Geschwindigkeit des Elektrons B: magnetische Feldstärke Es lassen sich z.b. Kompass-Sensoren realisieren. Seite 194
33 Abschnitt: Hall-Effekt Sensoren Hall Effekt + + q F B - v - V H Seite 195
34 Abschnitt: Hall-Effekt Sensoren Literatur [1] Fraden, Jacob: Handbook of modern sensors: physics, design, and applications, Kapitel 3.8 u. 8.2, Seiten u Springer-Verlag New York, Inc., 2. Auflage, [2] McKerrow, Phillip John: Introduction to Robotics, Kapitel u , Seiten u Electronic Systems Engineering Series. Addison-Wesley, korrigierte Auflage, Seite 196
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