Fondamenti sui Sensori applicati nella Robotica (Seconda Parte) Corso di Robotica Prof.ssa Gini Giuseppina 2006/

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1 Fondamenti sui Sensori applicati nella Robotica (Seconda Parte) Ph.D Ing. Folgheraiter Michele Corso di Robotica Prof.ssa Gini Giuseppina 2006/ Sensori termo-resistivi (Temperatura) (Metalli) In un range di temperatura relativamente ristretto ρ = ρ0[ 1+ α( T T0 )] dove α = coefficiente di temperatura resistivo (TCR) ρ 0 =resistività alla temperatura di riferimento T 0 (es. 0 C o 25 C) Per intervalli di temperatura più complessi si ricorre a polinomi, esempio per il tungsteno ρ = T T 2 (con T in C) 32 1

2 Metalli PTC ( T R ) Il coefficiente α (TCR) deve essere basso per resistori utilizzati in circuiti elettronici Al contrario, α deve essere il più alto possibile per realizzare sensori di temperatura (termistore) Esempio: Platino (sensore Pt100) opera in un range tra -200 C e 600 C (PTC) 4 R = R 0 ( T ) 33 Sensori termo-resistivi a Semiconduttore Molti semiconduttori e ossidi possiedono una caratteristica resistenzatemperatura non lineare, NTC ( T R ). R T 1 1 β = T R T 0 0e β è la temperatura caratteristica del materiale in Kelvin ( K). [0 K=-273,15 C] OSS: Quando sono richieste accuratezze spinte si ricorre ad approssimazioni polinomiali. 34 2

3 Sensori piezoelettrici (Curie1880) (Forza) Fenomeno presente in cristalli naturali (quarzo) Consiste nella generazione di carica elettrica da parte di un materiale cristallino sottoposto ad una sollecitazione meccanica E un effetto reversibile: energia meccanica energia elettrica e = kf u e = f. e. m. ai morsetti A e B u F = Forza applicata 35 Sensori piezoresistivi (Strain-gauge) (Forza) E l effetto di variazione della resistività di un opportuno materiale quando è soggetto ad una deformazione dovuta ad uno sforzo ad esso applicato (ridotto nei materiali metallici, più consistente nei semiconduttori). Materiale PiezoResistivo ΔR ΔL = S R 0 L 0 Materiale di Supporto Sforzo: σ = F a ΔL = E L 0 E = modulo di Young del materiale [N/m 2 ] F = forza applicata [N] a = sezione interessata [m 2 ] S= gauge Factor a E F = S R 0 ΔR 36 3

4 Il resistore è saldato su un substrato portante elastico, che viene fissato sull oggetto che si deforma Il resistore è quindi isolato elettricamente dall oggetto Il coefficiente di espansione termica del substrato deve essere coincidente con quello del materiale di cui è fatto il resistore Per avere una buona sensibilità il sensore deve avere lunghi segmenti longitudinali e corti segmenti trasversali, così la sensibilità trasversale è molto minore rispetto a quella longitudinale 37 La pista di materiale piezoresistivo può essere considerata come un cilindrico che subisce una elongazione (il volume V rimane costante), esso possiede una resistenza pari a: l V =al R = ρ a da cui si ricava la sensibilità: dr ρ = dl a che è tanto migliore quanto più stretto è il cilindro e quanto maggiore è la resistività del materiale. dr S = dl S = Sensibilità ( gauge factor ) [2-6 per metalli, per semiconduttori] 38 4

5 Esempio di sensore di Forza/Momento per Manipolatore E montato tra la fine del braccio e il polso. Vi sono solitamente 8 strain gauge disposti sulle 4 lamine deformabili. 39 A noi interessa passare dalle 8 misurazioni, effettuate con i sensori di forza, ai 3 momenti e le 3 forze secondo i tre assi cartesiani. Quindi è necessario determinare la matrice R F. Attraverso una fase di calibrazione si forniscono delle forze e dei momenti noti, si misurano i valori delle resistenze dei sensori, quindi si calcolano i parametri della matrice M (che devono soddisfare la seguente equazione). w w w w w w w w 1x 1y 2 y 2z 3z 3x 4 y 4z = M R R R M M M x y z x y z R F = M

6 Sensori ad Effetto Hall (Prossimità) (E.Hall 1879) z x y In un materiale conduttore sottoposto ad un campo magnetico B z normale al flusso di una corrente elettrica di intensità I x, si manifesta una d.d.p. V y in direzione perpendicolare alle direzioni sia di B z sia di I x. Il fenomeno è dovuto al fatto che le cariche elettriche (forza di Lorentz), in movimento per la presenza della corrente, si accumulano su di una faccia del materiale per effetto del campo magnetico, finché non si determina un campo elettrico agente sugli elettroni tale da opporsi e compensare la forza dovuta al campo magnetico. Sensori Hall sono usati per rilevare campi magnetici, posizione e spostamento di oggetti 41 Nb: q<0 La tensione di Hall può essere prelevata con opportuni elettrodi. E bassa nei conduttori e negli isolanti, alta nei semiconduttori) Non sono molto lineari rispetto all intensità del campo B e quindi richiedono una calibrazione per misure di precisione Usato come sensore angolare ES: un dispositivo commerciale (arseniuro di indio) con una corrente di controllo di 0.1A, presenta una tensione di Hall pari a 0.15V per un campo di induzione magnetica pari a 1Wb/m

7 Sensori ad effetto fotoconduttivo (Sensori passivi) (Intensità Luminosa) Variazione di resistività in materiali investiti da radiazioni di varie lunghezza d onda. Si utilizzano materiali semiconduttori. La radiazione incidente consente il passaggio di elettroni da uno stato di legame ad uno libero, questi non hanno energia sufficiente per uscire dal materiale (fotoemissione), ma contribuiscono alla conduzione facendo diminuire la resistività. E necessario collegare il sensore ad un generatore di tensione per ottenere un flusso di corrente elettrica misurabile e dipendente dall intensità della radiazione incidente. 43 Sensori ad Effetto Fotovoltaico (Sensori attivi) (Intensità Luminosa) p n Permette la conversione di energia elettromagnetica in energia elettrica (celle solari). Si presenta nelle giunzioni p-n dei semiconduttori, sottoposte a radiazioni danno luogo alla comparsa di una f.e.m. Illuminando la giunzione si producono coppie elettroni-lacune (combinazioni tipiche sono selenio-ferro e rame-ossidodirame) Fototransitor sono elementi fotovoltaici usati come interruttori nei quali piccole quantità di luce sono in grado di produrre la commutazione del circuito dalla condizione di minima corrente a quella di corrente elevata 44 7

8 Sensori ad ultrasuoni (velocità di un fluido) (Effetto Doppler, 1842) Consiste nella variazione di frequenza delle onde acustiche, ottiche, radio dovuta al moto relativo tra sorgente dell onda riflessa e ricevitore. f1 f2 = k v f 1 = Frequenza dell onda incidente f 2 = Frequenza dell onda riflessa v = Velocità media del fluido f = 200KHz 45 Encoder Ottici Permettono di misurare la posizione del giunto: Encoder Assoluto In questo caso la posizione è determinata in modo assoluto, sono formati da un disco di materiale trasparente su cui sono applicate delle zone oscurate. Encoder commerciali hanno 12 tracce, le quali consentono una risoluzione pari a : = 0,

9 Encoder Incrementale In questo caso la posizione è determinata in modo relativo; sul disco sono presenti due tracce in cui i settori (trasparenti/opachi) sono in quadratura tra di loro. Molte volte è presente una terza traccia con un unico settore oscurato che permette di definire il riferimento iniziale. Rispetto gli encoder assoluti, dove la posizione è codificata direttamente sul disco, questo tipo di encoder necessita di un circuito elettronico in grado di ricostruire la posizione dal tipo di impulsi generati durante la rotazione. Sono più economici rispetto agli encoder assoluti perché di più facile realizzazione, quindi sono i più utilizzati. 47 Sistemi Per Rilevare la DISTANZA 48 9

10 Metodo di Triangolazione Il movimento di scansione avviene sul piano definito dalla linea che va dall'oggetto al rivelatore e dalla linea che va dal rivelatore alla sorgente. Si orienta l emettitore fintantoché il rilevatore misura la massima intensità di luce riflessa. Conoscendo la posizione del rilevatore è possibile ricostruire le coordinate 3D dell oggetto. d = x sen(90 α ) = x cos( α ) s = x cos(90 α ) = x sen( α ) s d = tgα 49 Telemetro a sfasamento (distanza) Si separa la luce emessa in due parti: una viene fatta rimbalzare sull oggetto, l'altra su degli specchi posti ad una distanza nota. Si hanno così due cammini ottici che provocano uno sfasamento tra i due segnali. Calcolando la differenza delle due onde ho un segnale con ampiezza risultante dipendente dallo sfasamento (ampiezza minima se le onde sono in fase e ampiezza massima se sono in contro-fase). D max < λ/2 E/R λ 50 10

11 La lunghezza d'onda λ della luce laser λ luce utilizzata per questi sensori è dell'ordine dei micrometri (per esempio nm per un laser a elio-neon) ma in robotica si misurano distanze degli ordini del metro, quindi occorre una λ dell'ordine di qualche metro. Si riesce a superare il problema modulando il laser con una portante a frequenza più bassa: f = 10 MHz (lunghezza d'onda di 30 m ). λ = c [ m] f c = Km / s 51 Telemetro a Tempo di volo (distanza) Funziona misurando le distanze attraverso il tempo di volo di un segnale da sensore a oggetto ed ancora a sensore. Trasmettitore e ricevitore sono solitamente sensori piezoelettrici che funzionano ad impulso o ad onda continua. Lo spazio percorso è 2d mentre il tempo di percorrenza è 2d/c=ΔT (c=velocità dell onda) 52 11

12 Tuttavia la velocità della luce è troppo elevata Km/s, va bene per distanze molto elevate, in Robotica si preferisce usare onde sonore : ν = 340m / s Anche se le onde acustiche hanno una scarsa direzionalità, solitamente il cono di apertura è contro 0.1 del laser. Si verificano così i seguenti problemi: 1. Misurazione imprecisa del fronte di salita 2. Radiazione riflessa attenuata (basso rapporto segnale/rumore). 3. Non è possibile determinare la forma degli oggetti, ma solo la distanza. 53 Applicazioni in Robotica Mobile: Nei Robot mobili si utilizzano sensori a ultrasuoni che si basano sul tempo di volo, vengono spesso usati come sensori di prossimità in modo da evitare gli ostacoli. Grazie al basso costo si costruiscono array di sensori che vengono poi disposti lungo il perimetro del carrello

13 Sensori di Contatto ( Mani Artificiali) (Pressioni di contatto) La capacità umana di manipolare oggetti dipende fortemente dal senso del tatto. Mediante il tatto, il nostro cervello è in grado di raccogliere una miriade di informazioni dell oggetto manipolato: Temperatura Rugosità Forma Consistenza Questo soprattutto grazie alla presenza, nella cute, di diversi tipi di recettori (sensori) in grado di convertire gli stimoli fisici in un segnale elettrico (impulsivo), che grazie al sistema nervoso periferico viene trasmesso fino al cervello. 55 Meccanocettori: Corpuscoli di Pacini: Sensibili a rapide vibrazioni (10-500Hz). Corpuscoli di Ruffini: Vibrazioni (15-400Hz). Corpuscoli di Merkel: Sensibili alla pressione (0-3Hz). Corpuscoli di Meissner: Sensibili a basse pressioni (3-40Hz). Attualmente molti sistemi robotici presentano un EndEffector equipaggiato di sensori di forza e momento. In alcuni sistemi sperimentali sono presenti anche matrici di sensori di contatto

14 Array di elementi Resistivi Permettono di rilevare una mappa 2D delle forze di contatto tra l EndEffector e l oggetto manipolato. La matrice sensitiva si forma grazie alla disposizione ortogonale di due serie di elettrodi filiformi, separate da uno strato di materiale piezoresistivo (trasduttore da forza). Es) 32 (16*16) conduttori per una matrice di 256 elementi. 57 Caratteristiche richieste al materiale trasduttore: Un alta variazione di resistenza rispetto la variazione di pressione (alta sensibilità), questo per arrivare ad una elevata risoluzione. Valore di resistenza a vuoto dell ordine dei 100 ohm, in modo da poter lavorare con segnali di almeno 1Volt (I=10 ma) e quindi meno sensibili al rumore. Flessibilità, per adattarsi all oggetto ispezionato. Alta capacità di carico Pa su singolo 2 elemento ( 1mm 2 0,6 N) 10mm 60N Buona ripetibilità Bassa isteresi N 58 14

15 Possibile scelta per il materiale trasduttore: Gomma caricata Carbonio: Il materiale viene preparato da una miscela di gomma-siliconica e polvere di carbonio. Basso costo di realizzazione + Alto Stress a fatica del materiale, che viene danneggiato dalle micro-particelle - Elevata isteresi - Difficoltà ad ottenere un materiale omogeneo (resistività non costante spazialmente) - Tuttavia per particolari applicazioni le caratteristiche meccaniche ed elettriche possono essere alterate secondo le esigenze. 59 1bar Pa Costruzione del sensore Su una piastrina di materiale plastico vengono depositate delle piste di materiale conduttore. Due file di conduttori vengono disposti ortogonalmente sulle due facce opposte del materiale piezo-resitivo

16 Per poter estrarre informazioni da ogni singolo elemento dell array è necessario esaminare un elemento per volta. Questo è possibile grazie ad un multiplexer analogico (serie di interruttori che mettono ad alta impedenza le linee che non sono utilizzate). E possibile leggere il valore trasdotto da ogni elemento sensibile con una frequenza di 1MHz. 61 R 1 R

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